Этапы развития физики поверхности
В развитии физики поверхности можно выделить три этапа.
На ранней стадии изучалась поверхность твердого тела, покрытая различными адсорбированными фазами, осаждавшимися из окружающей газовой атмосферы, в результате химического травления или взаимодействия с другими фазами, в том числе в ходе хранения образца. Обычно такая поверхность, называемая реальной, содержит не только адсорбированные компоненты. Но также покрыта «одеждой» из сверхтонкой пленки гидроксилов, сложных окислов, а иногда специальными слоями химически стойких соединений типа фтористых соединений, оксинитридов, боридов и др. Как правило, такие поверхности включают довольно большое количество примесей инородных элементов, таких, как щелочно-галлоидные комплексы, содержащие Na, К, атомы переходных элементов, Fe, Cu, Au и др. Первые систематические исследования реальных поверхностей были проведены на металлах еще в начале века в связи с нуждами эмиссионной электроники. Это, прежде всего классические работы Ленгмюра на вольфраме и молибдене, на цезиевых, оксид-цезиевых и других горячих катодах. Затем были начаты исследования диэлектриков и полупроводников — окислов металлов (CuO, Cu2O, ZnO), легко выращиваемых полупроводников группы II—VI, далее (начиная с 40-х годов) — германия, кремния, веществ А3Б5 (InSb, GaAs и др.).
Дальнейшие экспериментальные исследования основывались уже на моделях, в которых центральную роль играли поверхностные уровни.
Главным итогом этой стадии исследования поверхности было надежное доказательство существования особых (по сравнению с объемом) поверхностных электронных состояний (поверхностных уровней) для всех полупроводников, для которых удалось провести эксперимент. На основании концепции поверхностных уровней (и влиянии заряда, накапливаемого на них) были, по крайней мере, качественно, объяснены все ранее загадочные поверхностные эффекты для реальной поверхности: сильная экранировка поля, приложенного к контакту (с прижимным электродом), и ее релаксация, различные медленно релаксирующие эффекты, непрерывный спектр шумов, дополнительная длинноволновая эмиссия и появление фотоэдс и др. В дополнение к этому именно в ходе исследования реальной поверхности (контактных явлений) в системе с несколькими точечными контактами был открыт транзисторный эффект и впервые построен полупроводниковый триод — точечный транзистор. Как известно, транзисторная логика до сих пор является определяющей в интегральной микроэлектронике.
Второй этап в развитии физики поверхности связан с исследованием атомарно-чистой поверхности. Эта стадия началась вслед за получением достаточно высокого вакуума в эмиссионной электронике,
созданием таких мощных методов исследования поверхности, как дифракция пучков монохроматических очень медленных (до нескольких десятков электрон-вольт) электронов (Лашкарев, Калашников, 1938 г.), появлением вакуумной эмиссионной спектроскопии (Спайсер, 40-е годы), а также развитием методов очистки поверхности, прежде всего путем ионной бомбардировки (Аг+, Фарнсворс и Макрэй, 1950—1960 гг.).
Среди наиболее важных результатов этого этапа отметим следующие:
1. Доказательство того, что атомарно-чистая поверхность действительно представляет собой особую структурную среду, т. е. характеризуется своей решеточной структурой. Для поверхностного монослоя были найдены сверхрешетки различного типа, одни сверхрешетки (как правило, незначительно отличающиеся от основной решетки вещества) оказались более устойчивыми, другие перестраиваются уже при комнатной температуре.
2. Прецизионные поверхностные методы дали возможность определить фундаментальные характеристики поверхности кристаллической решетки, такие, как эффективные массы электронов ms; деформационный потенциал Ξ, энергия фононов поверхности еф и амплитуда колебаний ∆xs атомов поверхностного слоя, дебаевская температура для поверхностной сверхрешетки и др. Наличие характерных полярных компонент химической связи для атомарно-чистой поверхности, что обусловливает возможность появления чисто поверхностных поляризованных мод, таких, как, например, поверхностные поляритоны в Ge, Si и др., экситонного, плазмонного, фононного и других типов.