Реконструкция поверхности. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Реконструкция поверхности - образование на чистых поверхностях монокристаллов структур, элементарная ячейка к-рых имеет период, отличающийся от периода в объёме кристалла (в параллельных поверхности плоскостях) и обычно превышающий его в неск. раз. Развитие техники сверхвысокого вакуума (давление p ! 10^-7 Па) позволило наблюдать атомарно-чистую, свободную от примесей поверхность, полученную сколом и сохраняющуюся неизменной в течение неск. ч.

Рис. 1. Схема электронограммы от поверхности кремния (111). Интенсивные пятна - рефлексы от объёма кристалла; слабые рефлексы, расположенные на расстоянии

от расстояния между объёмными рефлексами, указывают на поверхностную периодичность, в 7 раз большую соответствующего периода в объёме.

Большинство исследований выполняется методом дифракции медленных электронов (ДМЭ)[1] или фотоэмиссионными методами [2]. В методе ДМЭ электроны с энергиями 1 -10 эВ имеют большие сечения рассеяния и глубина их проникновения в кристалл составляет 5-10 A, т. е. 2-3 монослоя атомов. Схема электронограммы ДМЭ для чистой поверхности кремния (111) приведена на рис. 1. Она свидетельствует о появлении поверхностного периода, в 7 раз превышающего период кристаллич. решётки в объёме. На поверхности образуется сетка размерами (7 x 7). В общем случае говорят об образовании сетки (n x m)q, где n и т - коэф. пропорциональности между поверхностными и объёмными векторами трансляций, q - угол между поверхностными векторами трансляций. Р. п. наблюдалась также на поверхностях Ge, GaAs, GaSb, InSb, CdS, CdTe, Те и др. полупроводниковых материалов.

Рис. 2. Поверхностные элементарные ячейки для 3 моделей замыкания оборванных связей на поверхности (100) Si: а - нереконструированная поверхность; каждый атом верхнего слоя (большие кружки) связан 2 гибридизированными связями с атомами 2-го слоя (маленькие кружки) и имеет две оборванные свободные связи; элементарная ячейка показана пунктиром; б - модель двойных связей (удвоение поверхностной элементарной ячейки по оси 0х); в - модель с поверхностными вакансиями; на поверхности отсутствуют ряды атомов, оставшиеся образуют сдвоенные связи с атомами 2-го слоя; элементарная ячейка удвоена по Оу; г - модель цепочек; каждый поверхностный атом имеет 2 одиночные связи с соседями в цепочке, ещё одну связь с атомами 2-го слоя, а оставшаяся 4-я связь даёт вклад в молекулярную орбиталь, охватывающую всю цепочку.

Теоретич. рассмотрение Р. п. основано на кванто-во-хим. расчётах. На свободной поверхности гомео-полярных кристаллов при сколе образуются оборванные ненасыщенные ковалентные связи. Установление новой равновесной конфигурации поверхностных атомов происходит путём таких их перемещений, к-рые приводят к замыканию оборванных связей и т. о. к понижению энергии системы. При вычислениях полной энергии кристалла размеры поверхностной элементарной ячейки берутся из эксперимента, а характер замыкания связей выбирается модельным способом. На рис. 2 рядом с идеальной нереконструированной поверхностью (100) приведены 3 модели разл. замыкания оборванных связей. Сравнение с экспериментом не позволяет отдать предпочтение к--л. из этих моделей, т. к. расположение дифракц. рефлексов отражает только тран-сляц. симметрию поверхности. Информация о взаимном расположении атомов в элементарной ячейке содержится в распределении интенсивности в дифракц. рефлексах. Анализ этого распределения является сложной матем. задачей.

Эксперимент показывает, что симметрия поверхности меняется при изменении температуры [3], т. е. на поверхности происходят структурные фазовые превращения. Если такое превращение идёт по типу фазового перехода 2-го рода, то можно исследовать устойчивость идеальной поверхности относительно разл. смещений поверхностных атомов из положений равновесия. Любое смещение поверхностного атома можно представить в виде суперпозиции смещений, соответствующих нормальным колебаниям (см. Колебания кристаллической решётки ).Смещение x поверхностного атома из положения равновесия x₀ характеризуется волновым вектором

параллельным поверхности. Если смещение поверхностного атома приводит к увеличению потенц. энергии U (кривая 1, рис. 3), то исходному состоянию поверхности соответствует минимум U и поверхность устойчива. Если смещение поверхностных атомов приводит к уменьшению потенц. энергии (кривая 2 вблизи начала координат), то исходное состояние соответствует максимуму потенц. энергии. Поверхность при этом неустойчива, происходит Р. п. Новые положения равновесия x₀ определяются ангармонизмом колебаний. С учётом ангармонич. членов U(x) имеет вид полной кривой 3.

Рис. 3. Зависимость потенциальной энергии U от величины смещения поверхностного атома x: кривая (1)соответствует устойчивому равновесию; кривая (г) изображена с учётом ангармонизма колебаний и соответствует реконструированной поверхности; x₀ - новые положения равновесия.

Условие максимума или минимума потенц. энергии определяется знаком производной

, к-рая пропорц. квадрату частоты поверхностного колебания w²( ). Значение , для к-рого w(

) = 0 (мягкая мода),

соответствует

колебанию, по отношению к к-рому поверхность неустойчива. Именно

определяет пространственный период новой устойчивой поверхностной конфигурации атомов, соответствующей реконструированной поверхности.

На рис. 4. приведены 2 примера Р. п. (100) кубич. кристалла. Если мягкая мода возникает в точке X зоны Бриллюэна (см. Бриллюэна зона)с координатами (

= p/a,

= 0), то на поверхности устанавливается "волна" статич. смещений с периодом, где а -

период нереконструированной поверхности. Возникают чередующиеся ряды поднявшихся вверх и опустившихся вниз атомов. Происходит удвоение периода решётки вдоль оси х. Если мягкая мода возникает в точке М зоны Бриллюэна с координатами

то на поверхности устанавливается волна статических смещений в направлении, составляющем угол 45° с осями 0х и 0у и с периодом

Такую структуру обозначают (2 x 2) R 45° или С(2 x x 2).

Возможные перестройки поверхности, происходящие по типу фазового перехода 2-го рода, можно найти теоретико-групповыми методами. Р. п. охватывает неск. приповерхностных кристаллич. плоскостей, составляющих приповерхностный слой [4].

Р. п. с большим периодом, напр. структуры (7 x 7) на поверхности (111) Si, связывают с возникновением узкой энергетич. зоны поверхностных состояний для электронов оборванных связей. На поверхности (111) Si на каждый поверхностный атом приходится 1 оборванная связь. Поэтому зона поверхностных состояний заполнена только наполовину. Энергию электрона в такой зоне можно рассчитывать методом сильной связи (см. Зонная теория):

Здесь р_х и р_у - проекции квазиимпульса электрона, J - интеграл перекрытия электронных волновых функций. Ферми-поверхность для таких электронов является шестиугольником. Из-за наличия плоских граней электрон-фононное взаимодействие даёт аномально большой сдвиг частоты нормального колебания с волновым вектором q_||= 2р_F (р_F - импульс Ферми). Если при нек-ром сдвиге частоты результирующая частота w²(2р_F) = 0, то поверхность кристалла неустойчива относительно такого колебания и произойдёт Р. п. Устойчивое состояние соответствует волне статич. смещений с длиной волны l = 2p/q_||= p/р_F, соизмеримой с постоянной решётки ml = па, где т и n - целые числа. Период новой структуры определяется числом п. Для поверхности (111) Si число n = 7, что соответствует структуре (7x7).

Исследования атомарно-чистой поверхности важны для понимания свойств границы раздела кристаллов. По-видимому, нач. стадии адсорбции и роста кристаллов (см. Кристаллизация)определяются свойствами реконструированных границ раздела [5].

Литература по реконструкции поверхности

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.