Akademik

ПОВЕРХНОСТЬ
ПОВЕРХНОСТЬ
- граница разделамежду двумя контактирующими средами. В разл. ситуациях употребляются такжетермины: "свободная, или атом-но-чистая, П." (П. твёрдого тела в вакууме, чистая от загрязнений), "покрытая П." (П. твёрдого тела с адсорбированнойна ней определённой плёнкой), "реальная П." (покрытая в результате пребыванияв атмосфере плёнкой неизвестной природы), "межфазная граница", "контакт"(последний термин обычно относится к границе между конденсиров. средами).
В каждой из контактирующих сред на нек-роерасстояние от П. простирается слой, в к-ром элементный состав и хим. состояние, атомная и электронная структуры и, следовательно, динамич., электронные, магн. и др. свойства вещества существенно отличаются от его свойств в объёме. Толщина этого слоя зависит от природы соприкасающихся сред и внеш. условийи определяется характерной длиной, присущей рассматриваемому физ. явлению(см. Размерные эффекты, Квантовые размерные эффекты). Напр., толщинаслоя со специфич. электронными свойствами определяется длиной экранированияэлектрич. поля в среде и изменяется от 10-8 см в металлах довеличин 10-5 - 10-4 см и более в полупроводниках, плазме и электролитах (см. Дебаевский радиус экранирования).
Атомная структура поверхностного слоя. Специфика атомной структуры вблизи свободной П. твёрдых тел проявляетсяв т. н. поверхностных релаксации и реконструкции. При релаксации структураатомных плоскостей, параллельных П., сохраняется такой же, как в объёме, но межплоскостные расстояния у П. изменяются. Согласно данным, полученнымметодом дифракции медленных электронов, изменение (в большинствеслучаев уменьшение) межплоскостного расстояния у П. металлов обычно непревышает неск. % и охватывает, быстро затухая, лишь 2 - 3 приповерхностныеплоскости.
При реконструкции симметрия решётки вприповерх-ностной области резко отличается от таковой в объёме (рис.).Это явление характерно в первую очередь для кристаллов с ковалентной связью(напр., Si и Ge). Вследствие сильно анизотропного характера ковалентноговзаимодействия нарушение периодичности решётки при образовании П. влечётза собой коренную перестройку геометрии межатомных связей у П. Обнаруженатакже реконструкция П. ряда переходных и благородных металлов. Хотя самфакт реконструкции установлен достоверно, построение детальных моделейповерхностной решётки затруднено ввиду сложности однозначной расшифровкиэлектронограмм (см. Реконструкция поверхности).

15059-6.jpg

Атомная структура кристалла с ковалентнымисвязями (двойные линии). Соседние атомы поверхностного слоя (светлые кружки)образуют связи между собой, объединяясь в димеры. При этом на поверхностипериод решётки равен 2d (реконструкция 2 х 1). Кроме того, межплоскостноерасстояние уменьшается на величину 15059-7.jpg (релаксация).

Особенности атомной структуры характернытакже для границ раздела между двумя конденсиров. средами. В пограничномслое жидкости (толщиной ~ 1015059-8.jpg),примыкающем к П. кристалла, имеется повышенная степень порядка по сравнениюс ближним порядком в объёме жидкости (см. Дальний и ближний порядок). Награнице электрод - электролит наблюдается преимуществ. ориентация дипольныхмолекул, образуется слой, экранирующий электрич. поле (см. Двойной электрическийслой). Протяжённость и строение слоя с особой структурой вблизи контактадвух твёрдых тел определяется энергией взаимодействия контактирующих атомовили молекул, соотношением периодов кристаллич. решёток и их упругими свойствами(см. Эпитаксия, Гетеропереход). Структура решёток, образуемых наП. твёрдого тела адсорбиров. частицами, определяется конкуренцией междуатомным потенциальным рельефом П. и взаимодействием между частицами в адсорбиров. плёнке (см. Адсорбция).
Поверхностный слой является квазидвумернойсистемой, в к-рой упорядочение имеет особенности. На П. происходят специфич. структурные фазовые переходы, отражающиеся в изменении различных физ.-хим. свойств П.
Важными разновидностями П. раздела в твёрдыхтелах являются границы между кристаллич. зёрнами разл. ориентации ( межзёренныеграницы), определяющие мн. характеристики поликристаллич. материалов, а также границы между доменами ( доменные стенки )в сплавах, магнетиках, сегнетоэлектриках идр. объектах, однородных по хим. составу.

Электронные свойства поверхностиотличаются от объёмных, в частности наличием электронных поверхностныхсостояний. Соответствующие им волновые ф-ции электронов экспоненциальнозатухают при удалении от П. Изменение концентрации электронов у П. полупроводников(вследствие их перехода в поверхностные состояния или от одной контактирующейсреды к другой) приводит к изгибу энергетич. зон, на чём основано выпрямлениетока на контактах металл - полупроводник (см. Шоттки барьер )и р- п-переходах. Приповерхностный слой может иметь проводимость, значительнопревышающую объёмную, а при достаточно сильном изгибе зон изменяется самхарактер проводимости и возникает инверсионный слой. Вследствиемалой толщины проводящего слоя электроны в нём образуют квазидвумернуюсистему. В таких слоях может достигаться высокая подвижность электронов[105 см 2/(В х с)], и их использование в микроэлектронныхприборах позволяет повысить быстродействие и уменьшить рассеиваемую мощность.
В разрешённых энергетич. зонах у П. характерныепики плотности электронных состояний обычно уже, чем в объёме, ввиду меньшегочисла соседей у поверхностных атомов (см.Плотность состояний). Коллективныеэлектронные возбуждения ( плазмоны )на П. имеют меньшую энергию, чем в объёме (в простейшем случае - в 15059-9.jpgраза),и проявляются, напр., в спектрах потерь энергии электронов, рассеянныхв кристаллах.
Распределение электронов вокруг ионныхостовов поверхностных атомов асимметрично, что приводит к наличию нек-рогодипольного момента. Связанный с этим двойной электрич. слой вносит существенныйвклад в поверхностный потенциальный барьер (см.Работа выхода). Электроннаяструктура чужеродных атомов и молекул, адсорбируемых на П., также существенноизменяется. Напр., они могут поляризоваться, приобретать нек-рый электрич. заряд, что приводит к изменению характера их взаимодействия. Вследствиеэтого внутримолекулярные связи могут быть настолько ослаблены, что происходитдиссоциация адсорбиров. молекул. Эти явления лежат в основе гетерогенногокатализа. В процессе десорбции может происходить передача электронов отдесорбирующейся частицы к П. или в обратном направлении (см. Поверхностнаяионизация).

Влияние П. на волновые процессы. УП . наблюдается особое поведение волн разной природы, происходитпреломление и отражение волн, возникают поверхностные волны (упругие, капиллярные, электромагнитные), амплитуда к-рых убывает при удалении от П., а скоростьнаправлена вдоль П. (см. Поверхностные акустические волны, Волны наповерхности жидкости). Поверхностные акустич. волны нашли практич. применение в акустоэлектронике.

Атомная динамика П. Для характеристикитепловых колебании поверхностных атомов на языке квазичастиц вводится понятиеповерхностных фононов, отличающихся от объёмных фононов закономдисперсии (их частоты могут, напр., попадать в зоны, запрещённые для объёмныхфононов; см. Колебания кристаллической решётки). По температурнойзависимости интенсивности рассеянных пучков при дифракции мед-лепных электроновнайдено, что среднеквадратичная амплитуда тепловых колебаний поверхностныхатомов на границе твёрдое тело - вакуум примерно в 1,5 - 2 раза превышаетобъёмное значенпе.

Оптические свойства П. Соотношениямежду амплитудой, фазой и поляризацией падающей, отражённой и преломлённойна П. световых волн определяются Френеля формулами. У П. образуютсясвязанные состояния фотонов с поверхностными оптич. фононами, плазмонамии др. дипольно-активпыми квазичастицами, наз. поверхностными поляритонами. Анализих характеристик лежит в основе одного из перспективных оп-тич. методовисследования П. Интенсивность комбинационного рассеяния, света намолекулах, адсорбированных на металлах, в ряде случаев значительно выше(в 104 - 107 раз), чем на тех же молекулах в объёмнойфазе (гигантское комбинационное рассеяние). Это обусловлено усилением эл.-магн. поля геом. неоднородностямп П., а также эфф. передачей энергии от поверхностныхэлектронных возбуждений колебательным модам адсорбиров. молекул. При пересеченииП. заряж. частицами наблюдается эл.-магн. переходное излучение.

Магнитные свойства П. Теория предсказываетотличие намагниченности поверхностного слоя, а также темп-ры магн. фазовыхпереходов на П. от соответствующих объёмных значений. Эксперим. исследованиямагнетизма П. осуществляются методами дифракции медленных поляризов. электронов, а также с помощью квантовых магнитометров, чувствительность к-рыхдостаточна для измерения намагниченности отд. монослоёв вещества.

Массоперснос на П. происходит придостаточно низких темп-pax быстрее, чем в объёме, поскольку энергия активации поверхностнойдиффузии вследствие большей свободы перемещений частиц обычно в 2 -5 раз меньше, чем объёмной диффузии (коэф. диффузии зависит от атомнойструктуры П. и различен для разных граней кристалла). В процессах поверхностногомассо-переноса проявляются коллективные эффекты, обусловленные взаимодействиемповерхностных частиц и их скоррелиров. движением.

Поверхностная энергия. П. обладаетнек-рой избыточной поверхностной энергией, т. к. образование П. требуетразрыва или перестройки связей между атомами или молекулами в конденсиров. среде. Работа образования единицы площади П. равна уд. поверхностной свободнойэнергии (поверхностному натяжению). При фазовых переходах 1-го рода, когдав однородной системе начинает выделяться новая фаза, необходимость затратыэнергии на образование межфазной П. приводит к явлениям перегрева или переохлаждения(см. Кипение, Кристаллизация).
Равновесное состояние системы конечныхразмеров определяется (при пост. объёме) минимумом суммарной свободнойэнергии, в к-рую вносит вклад как объём, так и П., причём относительныйвклад П. изменяется обратно пропорц. размеру объекта. Уменьшение поверхностнойсвободной энергии, происходящее за счёт тех или иных изменений П. (сокращенияеё площади, понижения энергии в результате насыщения свободных связей поверхностныхатомов и молекул и т. д.), служит движущей силой таких поверхностных явлений, как адсорбция, смачивание, растекание, адгезия и коге-зия, коагуляцияакустическая, образование капель, капиллярные явления и др. Эти явления находят практич. применение в разнообразных технологиях. Напр.,используется то обстоятельство, что в результате адсорбции изменяются каксвойства адсорбиров. частиц (см. выше), так и свойства подложки: работавыхода и определяемые ею эмиссионные характеристики, скорость испарениявещества подложки, хим. активность П. по отношению к разл. реакциям. Ввеществах, у к-рых адсорбция уменьшает поверхностную энергию, облегчаетсяобразование дефектов, тем самым понижается прочность твёрдых тел (см. Ребиндераэффект). Адсорбция стимулирует также образование эмульсий и пен (см.Поверхностно-активныевещества).

Экспериментальные методы, дающиеинформацию о поверхностных явлениях на атомном уровне, разнообразны. Этоавтоэмиссионная микроскопия (см. Ионный проектор), дифракция электронов, инфракраснаяспектроскопия, ионная спектроскопия, комбинационное рассеяние света, оже-спектроскопия, сканирующая туннельная микроскопия, термодесорбц. спектроскопия, фотоэлектронная спектроскопия, электронная микроскопия, электрон-фотоннаяспектроскопия, эллипсометрия и др. Эти методы позволяют решать мн. практически важные задачи в области электроники, роста кристаллов, вакуумнойтехники, катализа, повышения прочности материалов и их обработки, борьбыс коррозией и трением и т. д. Т. к. роль П. особенно велика для частицмалых размеров и тонких плёнок, то исследование поверхностных явлений приобрелоособо важное значение для развития микроэлектроники.

Лит.: Новое в исследовании поверхноститвёрдого тела, под ред. Т. Джайядевайя, Р. Ванселова, пер. с англ., в.1 - 2, М., 1977; Большое Л. А. и др., Субмонослойные пленки на поверхностиметаллов, "УФН", 1077, т. 122, с. 125; Методы анализа поверхностей, иодред. А. Зандерны, пер. с англ., М., 1979; Адамсон А., Физическая химияповерхностей, пер. с англ., М., 1979; Электронная и ионная спектроскопиятвердых тел, под ред. Л. Фирманса, пер. с англ., М., 1981; Нестеренко Б. А., Снитко О. В., Физические свойства атомарно-чистой поверхности полупроводников, К., 1983; Зенгуил Э., Физика поверхности, пер. с англ., М., 1990.

А. Г. Наумовец.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.