Поверхностные состояния Тамма

Рис. 36. Зоны поверхностных состояний Тамма

Как известно, поверхностные атомы кристалла имеют ненасыщенные валентности и поэтому могут вести себя как акцепторы, принимая электроны в валентную оболочку. Это подтверждено исследованиями на чистой поверхности германия. Уровни поверхностных состояний (уровни Тамма) могут расщепляться в зоны. Они перекрываются с зонами объемных состояний, вследствие чего обнаруживается поверхностная проводимость. Кристаллы германия и кремния в обычных условиях всегда окислены с поверхности и на них могут адсорбироваться различные ионы (гл. VI). В зависимости от характера внешней среды и от способа обработки поверхности полупроводника поверхностные состояния могут иметь характер доноров и акцепторов. Если преобладают акцепторные состояния, то при их заполнении электронами создается отрицательный объемный заряд вблизи поверхности. При преобладании донорных состояний может возникнуть положительный объемный заряд. [c.250]

Мы видим, что уровни Тамма находятся выше и ниже энергетических уровней соответствующей зоны бесконечно большого кристалла. Их количество определяется количеством атомов, образующих поверхность, т. е. величиной порядка 10 на см . Поэтому уровни Тамма сливаются в квазинепрерывные зоны поверхностных состояний (рис. 36). [c.110]

Считается, что атом на поверхности, не имеющий соседа с одной стороны, обладает иным сродством к электрону, нежели эквивалентный атом в объеме. Состояния, возникшие в результате неодинакового сродства к электрону, называются таммов-скими состояниями. Поверхностные атомы — катионы в кристаллах типа АВ — имеют свободные орбитали и обладают донорными свойствами. Видимо, эти явления будут происходить у кристаллов-диэлектриков более сложного состава. Если атомные орбитали валентной зоны — анионные, то возникающие поверхностные состояния будут обладать донорными свойствами (кислород). Таким образом, таммовские состояния могут представлять кислотные или основные центры Льюиса, т. е. акцепторные или донорные ионные поверхностные состояния . Иногда могут проявляться и донорные, и акцепторные состояния, в зависимости от условий, причем донорные и акцепторные свойства поверхностных атомов диэлектрика будут выражены сильнее, чем у полупроводников. [c.42]

Наличие поверхности, т. е. обрыв междуатомных связей в некоторой плоскости, можно рассматривать как крупный дефект кристаллической решетки полупроводника. Согласно предположению И. Е. Тамма , а позднее Шокли и Бардина , существование такого крупного дефекта не может не привести к возникновению на поверхности кристалла новых дополнительных энергетических уровней, отсутствующих в объеме полупроводника. Такие уровни, расположенные в запрещенной зоне ниже дна зоны проводимости, получили название поверхностных состояний. Эти уровни могут играть роль ловушек для электронов, перешедших из зоны проводимости. Согласно расчетам Шокли , зона поверхностных состояний должна быть заполнена лишь наполовину. Поскольку верхние уровни поверхностных состояний свободны, то на них могут переходить электроны и вдоль поверхности будет существовать электронная проводимость даже при отсутствии электропроводности в объеме. [c.7]

Металлы, изоляторы и полупроводники обладают свободными поверхностями, наличие которых приводит, при определенных условиях, к появлению состояний, локализованных вблизи границы твердой фазы. Возможность существования поверхностных состояний такого типа впервые была предсказана Таммом [20], поэтому в литературе за ними закрепилось название таммовские состояния . [c.55]

Величину Де иногда приближенно можно приравнять Дф -В соответствии с уравнениями (1), (3) и (4), величина Де (или Дф ) может непосредственно влиять на равновесное содержание активных частиц на поверхности, т. е. на каталитическую активность. Влияние Дф на энергию активации реакции можно получить также, приняв, но Рогинскому [53], что Дф влияет не на равновесные формы адсорбированных молекул, а на заряжение активированного комплекса. В общем случае искривление зон Де может быть обусловлено не только зарядами на адсорбционных поверхностных уровнях, но и неадсорбционными поверхностными состояниями (уровни Тамма, [c.17]

Возможность существования поверхностных состояний была впервые рассмотрена Таммом [1], который пришел к выводу, что соответствующие им уровни лежат в запрещенной зоне. Можно предположить, что эти поверхностные состояния возникают различными путями. Они могут включать в себя уровни, получающиеся из сложных атомных уровней [2], уровни, образующиеся вследствие изменения потенциала Маделунга в поверхностной области [3] и вследствие присутствия адсорбированных веществ [4], и уровни, связанные с такими обычными поверхностными нарушениями, как трещины Смекала, спиральные дислокации и другие дефекты. Особенности уровней Тамма были теоретически рассмотрены многими авторами [5]. Предполагается, что число локализованных поверхностных состояний может соответствовать числу поверхностных атомов. Энергетические уровни, соответствующие этим поверхностным состояниям, могут быть или дискретными, или равномерно распределенными по всему промежутку между заполненной зоной и зоной проводимости. Последнего можно ожидать при высоких концентрациях примеси. Бардин [5] утверждает, что, если плотность поверхностных состояний достаточно велика (больше 10 ш ), на свободной поверхности может образоваться двойной электрический слой, возникающий вследствие поверхностного заряда, вызванного электронами, находящимися в этих состояниях. Этот заряд будет индуцировать объемный заряд противоположного знака, распространяющийся примерно на 10 см внутрь кристалла. Согласно Бардину, это приводит к независимости работы выхода электрона для таких веществ от высоты уровня Ферми внутри материала и, следовательно, к независимости ее от содержания примесей в объеме. Этот постулат распространяется и на поверхности раздела металл — полупроводник. В данном случае металл стремится расширить поверхностные состояния полупроводника. Однако, когда это расширение мало по сравнению с шириной запрещенной зоны, пространственный заряд полупро-водника не зависит от металла. В тех случаях, когда расширение значительно по сравнению с запрещенной полосой, не может быть сделано никаких выводов. [c.168]

И. Е. Тамм и А. А. Соколов разработали теорию локализации электронов вблизи края кристалла и поверхности внутренней микротрещины. Такого рода локальные состояния известны в литературе под названием поверхностных уровней Тамма. [c.45]

В некоторых диаграммах энергетических зон, обсуждавшихся ранее, мы изображали энергетические уровни внутри запрещенной энергетической зоны, причем эти уровни приписывались состояниям, вызываемым дефектами кристаллических решеток, типы которых были даны в разделе 5.2..3. Тамм [38] впервые указал, что нарушения непрерывности, имеющиеся на поверхности идеальной решетки, могут вызывать появление энергетических уровней в запрещенной зоне и что электроны с этих уровней (часто называемых уровнями Тамма) могут затем свободно мигрировать по поверхности, но не в объемную фазу. Этот вопрос неоднократно обсуждался [39—42], но только в последние несколько лет появились определенные доказательства существования поверхностных состояний [43]. Схематическое изображение энергетических зон твердого тела — не обязательно полупроводника — с уровнями Тамма дано на рис. 19. [c.227]

Тамм [158], очевидно, первым предположил, что еще возможны электронные состояния, эффективно локализованные на поверхности кристалла. Такие состояния, называемые поверхностными состояниями, также представляют собой перемещающиеся волны, но они ограничены областью, которая простирается лишь на несколько атомных слоев на поверхности. Существование поверхностных состояний трудно подтвердить экспериментально. Основное подтверждение их существования поступает из поведения выпрямляющих контактов металл — полупроводник [159, 160]. Теоретические расчеты условий, при которых имеют место поверхностные состояния, были проведены лишь для упрощенных моделей, и в лучшем случае они позволили сделать качественные выводы [131, 158, 161]. Эти выводы будут суммированы после краткого обсуждения свойств поверхностных состояний. [c.166]

Поверхностные состояния, возникающие благодаря быстрому возрастанию потенциальной энергии поверхности кристалла. Эти состояния, исследованные Таммом [158], обладают той особенностью, что должно быть два поверхностных состояния (не считая спина) на один атом поверхности, удаленных из каждой зоны объемной энергии. Шокли утверждает, что энергии этих состояний должны лишь слегка превосходить энергии соответствующих объемных состояний. [c.167]

Физический смысл а определяется тем обстоятельством, что фундаментальной предпосылкой реализации адгезионного взаимодействия является энергетический избыток на поверхности фазы по сравнению с ее объемом, выражаемый, в соответствии с базовым определением адгезии, в понятиях теории поверхностных состояний. Согласно современным представлениям последние обусловлены проявлением уровней Тамма и Шокли. Уровни Там-ма являются результатом [c.31]

Вопрос об образовании граничного слоя за счет очень высоких энергетических уровней на поверхности послужил предметом специальных исследований [31]. Тамм [32] впервые указал на возможную роль таких электронных уровней на поверхности, обусловленных различием сил, действующих на поверхности и в объеме твердого тела ( таммовские состояния ). Экспериментальные доказательства существования этих поверхностных состояний, предложенные некоторыми авторами, неубедительны, так как эти авторы перед опытом [33] или во время измерений [34] выставляли исследуемые вещества на воздух. Поэтому [c.247]

Еще в тридцатых годах советский ученый И. Е. Тамм провел квантовомеханический анализ этого вопроса и пришел к выводу о существовании на чистой поверхности кристалла дополнительных, по отношению к объему энергетических состояний, которые получили название уровней Тамма. Присутствие таких состояний на чистой поверхности германия и кремния, полученной путем разлома кристаллов в очень глубоком вакууме, в настоящее время доказано экспериментально. Плотность этих состояний гораздо выше концентрации легирующих примесей в объеме кристалла и приблизительно равна концентрации поверхностных атомов. [c.205]

Особое состояние поверхностных атомов (молекул или ионов) твердого тела приводит к тому, что вблизи поверхности электроны распределяются не так, как в объеме. Это значит, что энергетическое состояние электронов поверхностного слоя твердых тел отличается от такового в объеме. Это было доказано академиком Таммом квантовомеханическим расчетом в тридцатых годах и позднее доказано экспериментально на чистой поверхности германия и кремния, полученной путем разлома кристаллов в очень глубоком вакууме. Из приведенных рас-суждений следует, что электрические, химические, каталитические и адсорбционные свойства даже заведомо чистых поверхностей существенно отличаются от объемных свойств кристалла. [c.169]

При рассмотрении этих вопросов существенно, каков характер электронных переходов при химической адсорбции на металлах, от каких факторов он зависит и какова природа образующейся адсорбционной связи. Очевидно, что такими факторами являются электронная структура адсорбирующегося вещества, электронная структура металла и зависящие от нее специфические электронные свойства его поверхности. Последнее означает необходимость учета энергетических уровней поверхностного электронного газа металлов. Вопрос о возможности существования специфических локальных энергетических уровней у поверхности твердого тела был поставлен И. Е. Таммом [64]. Отмечается также возможность возникновения специфических поверхностных энергетических состояний металла в результате воздействия приближающегося [c.57]

Поверхностные свойства твердых тел, так же как и объемные, во многом определяются их электронной структурой. Электронная теория поверхности впервые была рассмотрена Таммом [5, 6] и Шокли [7]. И в той и в другой работе свойства поверхности определены через поверхностные состояния электронов. Причиной образования поверхностных уровней Тамма является нарушение периодичности кристаллического поля на поверхности, а уровней Шокли — наличие нескомненсированных валентных связей. На каждом поверхностном энергетическом уровне на-ходится только один электрон, в силу чего эти уровни можно рассматривать как свободные валентности. Однако в отличие от свободной ва.лентности стабилизированного радикала электроны поверхностных уровней делокали- [c.408]

Коутецкий [161] рассмотрел возникновение или модификацию поверхностных состояний адсорбированными слоями. Он прищел к выводу, что поверхностные состояния типа Тамма создаются [c.168]

Тамм [21] (см. Фаулер [22], Шокли [23]) впервые теоретически показал, что поверхностные состояния должны существовать и на чистой поверхности полупроводника. Однако для рассматриваемых нами вопросов наибольшее значение приобретают те поверхностные состояния, которые возникают в результате адсорбции примесей. В этом случае адсорбированные примеси, действующие как доноры или акцепторы электронов, могут привести к образованию на поверхности полупроводника дополнительного количества локализованных энергетических уровней, соответствующих вышеоппсанным поверхностным состояниям. Такие состояния называются примесными поверхностными состояниями. [c.392]

Исследованию электронного строения твердого тела со свободной поверхностью посвящено мало теоретических работ. Основными являются работы Тамма [4], Шоклея [5], Гудвина [6], Артмана [7] и Коутецкого [8], главный вывод которых состоит в том, что при определенных условиях поверхностные состояния могут существовать в промежутках между нормальными зонами кристаллических состояний. Мы здесь рассмотрим эту проблему в ее простейшем виде и представим твердое тело в виде прямой цепочки одинаковых атомов, оба конца которой изображают свободные поверхности. Такая одномерная модель позволяет выявить основные особенности, а полученные результаты легко могут быть обобщены на три измерения. [c.381]

Могут также существовать энергетические уровни, соответствующие электронам, локализованным около поверхности. Они называются поверхностными состояниями . Одному из типов поверхностных состояний соответствуют адсорбированные ионы — доноры, отдающие электроны адсорбенту (например, водород), или акцепторы, захватывающие электроны твердого тела. На рис. 1 изображены поверхностные ловушки (уровни прилипания) акцепторного типа и указано, что могут существовать два вида уровней. Другому возможному типу уровней соответствуют атомы примеси, которые попадают на поверхность во время приготовления или диффундируют из объёма образца при термообработке, или уровни связаны с отклонениями стехиометрического соотношения в поверхностном слое. Как было показано Таммом, применившим методы квантовой механики [12], а позднее Шокли [13] и Бэлдоком [14], на поверхности идеального кристалла также могут существовать поверхностные уровни с энергией в запрещенной области, получившие название таммовских уровней . Как мы увидим далее, большое [c.291]

Согласно современным представлениям, поверхностные состояния обусловлены проявлением уровней Тамма [643] и Шокли [648]. Первые из них являются результатом искажения хода кулоновского потенциала на поверхности по сравнению с объемом фазы. Они могут быть описаны как расщепление энергетических уровней выше и ниже одиночной зоны. Второй тип поверхностных состояний возникает тогда, когда существуют две неперекрывающиеся одиночные объемные зоны, а поверхность вызывает пересечение уровней в них. [c.167]

Первым существенным моментом является то, что, как показали Тамм и Шокли, наличие поверхности приводит к возникновению собственных поверхностных уровней и состояний. В реальной по-вер.хности из-за неупорядочности части атомов, образования ступенек, вакансий и других дефектов появляется в запрещенной зоне кристалла дополнительная система уровней. Эти состояния являются центрами локализации свободных носителей заряда на поверхности и играют существенную роль в процессах гетерогенного катализа. [c.31]

Еще одна проверка предлагаемой модели состоит в том, что после специальной предварительной термообработки адсорбента можно увеличить долю подвижных адатомов металла и оценить влияние такой обработки на адсорбцию газа. Известно, что при Т > Т /3 (Т - температура плавления, Т /3 - температура Таммана) поверхностные атомы металла обладают повышенной подвижностью [13], поэтому при резком охлаждении адсорбента от этой температуры до температуры жидкого азота (77 К) увеличивается число адатомов металла. Была изучена адсорбция н-гексана на пеноникеле после медленного (в течение 2 ч) охлаждения образца от 723 до 298 К (состояние 1 - отжиг) и быстрого (за 1 мин) охлаждения от 723 до 77 К (состояние 2 - закалка). На рис. 5 показаны изобары адсорбции для двух состояний. [c.86]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология