Материалдар бетіндегі электрондық күйлер: Shockley және Tamm күйлері, беттік қабаттардағы электрондық құрылым өзгерісі, физика, химия, беттік қасиеттер.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Материалдардың бетіндегі электрондық күйлер – материалдардың бетінде табылатын электрондық күйлер. Олар қатты материалдың бетпен аяқталуынан туындайды және бетке ең жақын атомдық қабаттарда ғана кездеседі. Материалдың бетпен аяқталуы электрондық жолақ құрылымының көлемді материалдан вакуумға өзгеруіне алып келеді. Беттегі әлсіз потенциалда жаңа электрондық күйлер пайда болады, олар беттік күйлер деп аталады.
Electronic states at the surface of materials
Surface states are electronic states found at the surface of materials. They are formed due to the sharp transition from solid material that ends with a surface and are found only at the atom layers closest to the surface. The termination of a material with a surface leads to a change of the electronic band structure from the bulk material to the vacuum. In the weakened potential at the surface, new electronic states can be formed, so called surface states.
Шокли штаттары мен Тамм штаттары
Жер бетіндегі күйлерді талқылау кезінде, әдетте Шокли күйлері мен Тамм күйлері ерекшеленеді, олар американ физигі Уильям Шокли мен орыс физигі Игорь Таммның есімдерімен аталған. Бұл екі типті күйлердің арасында қатаң физикалық айырмашылық жоқ, бірақ оларды сипаттаудағы сапалық ерекшеліктері мен математикалық тәсілдері әртүрлі. Тарихи тұрғыдан алғанда, таза және идеалды беттер үшін дербес электрондық жуықтау шеңберінде Шредингер теңдеуінің шешімдері ретінде туындайтын жер беті күйлері Шокли күйлері деп аталады. Шокли күйлері – кристаллдың тоқтауымен байланысты электрондық потенциалдың өзгеруінен туындайтын күйлер. Бұл тәсіл қалыпты металдар мен кейбір тар саңылаулы жартылай өткізгіштерді сипаттауға ыңғайлы. 3-сурет Шокли күйінің дербес электрондық жуықтау арқылы есептелген мысалын көрсетеді. Кристалл ішінде Шокли күйлері экспоненциалды түрде өшетін Блох толқындарына ұқсайды. Тығыз байланыс моделі шеңберінде есептелетін жер беті күйлері көбінесе Тамм күйлері деп аталады. Тығыз байланыс тәсілінде электрондық толқындық функциялар әдетте атомдық орбитальдардың сызықтық комбинациялары (LCAO) түрінде беріледі. Шокли күйлерін сипаттау үшін қолданылатын дербес электрондық модельге қарағанда, Тамм күйлері өтпелі металдар мен кең саңылаулы жартылай өткізгіштерді сипаттауға да жарамды.
In the discussion of surface states, one generally distinguishes between Shockley states and Tamm states, named after the American physicist William Shockley and the Russian physicist Igor Tamm. There is no strict physical distinction between the two types of states, but the qualitative character and the mathematical approach used in describing them is different. Historically, surface states that arise as solutions to the Schrödinger equation in the framework of the nearly free electron approximation for clean and ideal surfaces, are called Shockley states. Shockley states are thus states that arise due to the change in the electron potential associated solely with the crystal termination. This approach is suited to describe normal metals and some narrow gap semiconductors. Figure 3 shows an example of a Shockley state, derived using the nearly free electron approximation. Within the crystal, Shockley states resemble exponentially decaying Bloch waves. Surface states that are calculated in the framework of a tight binding model are often called Tamm states. In the tight binding approach, the electronic wave functions are usually expressed as linear combinations of atomic orbitals (LCAO). In contrast to the nearly free electron model used to describe the Shockley states, the Tamm states are suitable to describe also transition metals and wide gap semiconductors.
Бұрыштық шешімді фотоэмиссиялық спектроскопия
Жер бетіндегі күйлердің таралуын өлшеуге арналған эксперименталды әдіс – бұрыштық ажыратымды фотоэмиссиялық спектроскопия (ARPES) немесе бұрыштық ажыратымды ультракүлгін фотоэлектрондық спектроскопиясы (ARUPS).
An experimental technique to measure the dispersion of surface states is angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) or angle resolved ultraviolet photoelectron spectroscopy (ARUPS).
Скандық туннельдік микроскопия
Жер бетіндегі күйдің дисперсиясы сканирлеуші-түннельдік микроскопты пайдаланып өлшенуі мүмкін; осы тәжірибелерде, жер бетіндегі күй тығыздығындағы периодтық өзгерістер, олар жер бетіндегі қосымшалар немесе саты жиектерінен шашыраудан туындайды, белгілі бір кернеуде STM ұшымен өлшенеді. Жер бетіндегі электрондардың толқын векторы мен кернеуі (энергиясы) тиімді массасы және жер бетіндегі күйдің басталу энергиясы бар еркін электрон моделіне сәйкес келеді.
The surface state dispersion can be measured using a scanning tunneling microscope; in these experiments, periodic modulations in the surface state density, which arise from scattering off of surface impurities or step edges, are measured by an STM tip at a given bias voltage. The wavevector versus bias (energy) of the surface state electrons can be fit to a free electron model with effective mass and surface state onset energy.