Введение
Электронные состояния на поверхности материалов
Поверхностные состояния – это электронные состояния, существующие на поверхности материалов. Они формируются из-за резкого изменения среды при переходе от объёмного материала к поверхности и локализованы в атомных слоях, непосредственно прилегающих к поверхности. Завершение материала поверхностью приводит к изменению электронной структуры от объёмного материала к вакууму. В ослабленном потенциале на поверхности могут возникать новые электронные состояния, называемые поверхностными состояниями.
Штат Шокли и штат Тамм
В обсуждении поверхностных состояний обычно различают состояния Шокли и состояния Тамма, названные в честь американского физика Уильяма Шокли и русского физика Игоря Тамма. Строгого физического различия между этими двумя типами состояний нет, однако качественный характер и математический подход, используемый для их описания, отличаются. Исторически, поверхностные состояния, возникающие как решения уравнения Шредингера в рамках приближения почти свободных электронов для чистых и идеальных поверхностей, называют состояниями Шокли. Таким образом, состояния Шокли – это состояния, возникающие вследствие изменения электронного потенциала, обусловленного исключительно обрывом кристаллической решетки. Этот подход подходит для описания нормальных металлов и некоторых полупроводников с узкой запрещенной зоной. На рисунке 3 представлен пример состояния Шокли, полученного с использованием приближения почти свободных электронов. Внутри кристалла состояния Шокли напоминают экспоненциально затухающие волны Блоха. Поверхностные состояния, рассчитанные в рамках модели сильной связи, часто называют состояниями Тамма. В рамках подхода сильной связи электронные волновые функции обычно представляются в виде линейных комбинаций атомных орбиталей (LCAO). В отличие от модели почти свободных электронов, используемой для описания состояний Шокли, состояния Тамма применимы также для описания переходных металлов и полупроводников с широкой запрещенной зоной.
Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением
Экспериментальной техникой для измерения дисперсии поверхностных состояний является угловая фотоэмиссионная спектроскопия (ARPES) или угловая ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (ARUPS).
Сканирующая туннельная микроскопия
Дисперсия поверхностных состояний может быть измерена с помощью сканирующего туннельного микроскопа. В этих экспериментах периодические модуляции плотности поверхностных состояний, возникающие из-за рассеяния на поверхностных примесях или гранях ступеней, измеряются наконечником STM при заданном напряжении смещения. Зависимость волнового вектора от напряжения смещения (энергии) электронов поверхностных состояний может быть аппроксимирована моделью свободных электронов с эффективной массой и энергией начала поверхностного состояния.