64) Поверхностные состояния и поверхностные зоны.

Поверхностные состояния, (англ. Surface states) (также поверхностные электронные состояния, далее ПС) — электронные состояния, пространственно локализованные вблизи поверхности твёрдого тела.

ПС играют важную роль в физике полупроводников. Поэтому часто под ПС понимают состояния, находящиеся в запрещённной зоне, локализованные на границе раздела полупроводника с какой-либо средой (диэлектрик, металл, электролит, газ, вакуум). Зарядовое состояние ПС определяется их положением относительно уровня Ферми.

Природа поверхностных состояний

Представления о ПС возникли в результате естественного развития зонной модели для ограниченных кристаллов. Всего через несколько лет после создания теории энергетических зон для бесконечной решётки Тамм показал принципиальную возможность существования поверхностных состояний при нарушении периодичности потенциала на поверхности^[2].

В дальнейшем для описания ПС был создан ряд теоретических моделей, однако большинство из них констатируют лишь принципиальную возможность существования ПС, в то время как их истинная природа до настоящего времени остается невыясненной. Подтверждением этому является резкое расхождение между предсказанным числом ПС (по Тамму см⁻²) и числом состояний, наблюдаемых экспериментально на реальной поверхности (для германия см⁻², для кремния см⁻²).^[3]

Состояния Тамма

Таммовские поверхностные состояния обусловлены обрывом периодической решетки кристалла. В 1932 году Тамм, рассматривая простейшую одномерную модель полубесконечного кристалла как последовательность дельтообразных потенциальных барьеров, ограниченную потенциальной «стенкой», пришёл к фундаментальному выводу о возможности существования состояний, волновые функции которых локализованы на поверхности кристалла. Эти электронные состояния описываются комплексным квазиволновым вектором. В трёхмерном случае каждому атому поверхности должно соответствовать одно состояние. Таким образом, концентрация таммовских ПС на идеальной поверхности должна быть равна поверхностной концентрации атомов в кристалле, то есть по величине порядка см⁻².

Состояния Шокли

Расщепление энергетических уровней атомов в энергетические зоны и поверхностные состояния в одномерном «кристалле», содержащем 8 атомов при уменьшении межатомного расстояния. Принципиально отличный от предложенного Таммом подход к рассмотрению ПС был предложен Шокли, который исследовал одномерную атомную цепочку, соответствующую равноотстоящим симметричным потенциальным барьерам. Он изучил характер изменения волновых функций и энергетических уровней электрона при постепенном сближении атомов.

При этом, потенциал электрона в пределах цепочки был строго периодичным вплоть до крайней ячейки включительно.

В этом случае также возникают ПС, но в отличие от таммовских они возникают только при определённых малых постоянных решётки и являются следствием пересечения разрешённых энергетических зон в условиях симметричного ограничения кристаллической решётки.

Шоклиевские состояния можно трактовать как ненасыщенные химические связи атомов, находящихся на поверхности. Их концентрация в идеальном случае по порядку величины должна равняться концентрации поверхностных атомов. Однако, подобная конфигурация поверхности не является энергетически выгодной. Поэтому свободные валентные связи даже при отсутствии адсорбированных примесей могут насыщаться, соединяясь иным способом, чем внутри кристалла. За счет этого может происходить образование сверхструктуры. то есть изменение симметрии в поверхностном слое, а концентрация ПС может быть значительно ниже теоретически предсказываемой.