Поверхность. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Поверхность - граница раздела между двумя контактирующими средами. В разл. ситуациях употребляются также термины: "свободная, или атом-но-чистая, П." (П. твёрдого тела в вакууме, чистая от загрязнений), "покрытая П." (П. твёрдого тела с адсорбированной на ней определённой плёнкой), "реальная П." (покрытая в результате пребывания в атмосфере плёнкой неизвестной природы), "межфазная граница", "контакт" (последний термин обычно относится к границе между конденсиров. средами).
В каждой из контактирующих сред на нек-рое расстояние 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. условий и определяется характерной длиной, присущей рассматриваемому физ. явлению (см. Размерные эффекты, Квантовые размерные эффекты). Напр., толщина слоя со специфич. электронными свойствами определяется длиной экранирования электрич. поля в среде и изменяется от 10^-8 см в металлах до величин 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 проявляется в т. н. поверхностных релаксации и реконструкции. При релаксации структура атомных плоскостей, параллельных П., сохраняется такой же, как в объёме, но межплоскостные расстояния у П. изменяются. Согласно данным, полученным методом дифракции медленных электронов, изменение (в большинстве случаев уменьшение) межплоскостного расстояния у П. металлов обычно не превышает неск. % и охватывает, быстро затухая, лишь 2 - 3 приповерхностные плоскости.
При реконструкции симметрия решётки в приповерх-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 ковалентного взаимодействия нарушение периодичности решётки при образовании П. влечёт за собой коренную перестройку геометрии межатомных связей у П. Обнаружена также реконструкция П. ряда переходных и благородных металлов. Хотя сам факт реконструкции установлен достоверно, построение детальных моделей поверхностной решётки затруднено ввиду сложности однозначной расшифровки электронограмм (см. Реконструкция поверхности).

Атомная структура кристалла с ковалентными связями (двойные линии). Соседние атомы поверхностного слоя (светлые кружки) образуют связи между собой, объединяясь в димеры. При этом на поверхности период решётки равен 2d (реконструкция 2 х 1). Кроме того, межплоскостное расстояние уменьшается на величину

(релаксация).

Особенности атомной структуры характерны также для границ раздела между двумя конденсиров. средами. В пограничном слое жидкости (толщиной ~ 10

), примыкающем к П. кристалла, имеется повышенная степень порядка по сравнению с ближним порядком в объёме жидкости (см. Дальний и ближний порядок ).На границе электрод - электролит наблюдается преимуществ. ориентация дипольных молекул, образуется слой, экранирующий электрич. поле (см. Двойной электрический слой). Протяжённость и строение слоя с особой структурой вблизи контакта двух твёрдых тел определяется энергией взаимодействия контактирующих атомов или молекул, соотношением периодов кристаллич. решёток и их упругими свойствами (см. Эпитаксия, Гетеропереход). Структура решёток, образуемых на П. твёрдого тела адсорбиров. частицами, определяется конкуренцией между атомным потенциальным рельефом П. и взаимодействием между частицами в адсорбиров. плёнке (см. Адсорбция).
Поверхностный слой является квазидвумерной системой, 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 твёрдых телах являются границы между кристаллич. зёрнами разл. ориентации (межзёренные границы), определяющие мн. характеристики поликристаллич. материалов, а также границы между доменами (доменные стенки)в сплавах, магнетиках, сегнетоэлектриках и др. объектах, однородных по хим. составу.

Электронные свойства поверхности отличаются от объёмных, в частности наличием электронных поверхностных состояний. Соответствующие им волновые функции электронов экспоненциально затухают при удалении от П. Изменение концентрации электронов у П. полупроводников (вследствие их перехода в поверхностные состояния или от одной контактирующей среды к другой) приводит к изгибу энергетич. зон, на чём основано выпрямление тока на контактах металл - полупроводник (см. Шоттки барьер)и р - п-переходах. Приповерхностный слой может иметь проводимость, значительно превышающую объёмную, а при достаточно сильном изгибе зон изменяется сам характер проводимости и возникает инверсионный слой .Вследствие малой толщины проводящего слоя электроны в нём образуют квазидвумерную систему. В таких слоях может достигаться высокая подвижность электронов [10⁵ см²/(В х с)], и их использование в микроэлектронных приборах позволяет повысить быстродействие и уменьшить рассеиваемую мощность.
В разрешённых энергетич. зонах у П. характерные пики плотности электронных состояний обычно уже, чем в объёме, ввиду меньшего числа соседей у поверхностных атомов (см. Плотность состояний ).Коллективные электронные возбуждения (плазмоны)на П. имеют меньшую энергию, чем в объёме (в простейшем случае - в

раза), и проявляются, напр., в спектрах потерь энергии электронов, рассеянных в кристаллах.
Распределение электронов вокруг ионных остовов поверхностных атомов асимметрично, что приводит к наличию нек-рого дипольного момента. Связанный с этим двойной электрич. слой вносит существенный вклад в поверхностный потенциальный барьер (см. Работа выхода ).Электронная структура чужеродных атомов и молекул, адсорбируемых на П., также существенно изменяется. Напр., они могут поляризоваться, приобретать нек-рый электрич. заряд, что приводит к изменению характера их взаимодействия. Вследствие этого внутримолекулярные связи могут быть настолько ослаблены, что происходит диссоциация адсорбиров. молекул. Эти явления лежат в основе гетерогенного катализа. В процессе десорбции может происходить передача электронов от десорбирующейся частицы к П. или в обратном направлении (см. Поверхностная ионизация).

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

Атомная динамика П. Для характеристики тепловых колебании поверхностных атомов на языке квазичастиц вводится понятие поверхностных фононов ,отличающихся от объёмных фононов законом дисперсии (их частоты могут, напр., попадать в зоны, запрещённые для объёмных фононов; см. Колебания кристаллической решётки ).По температурной зависимости интенсивности рассеянных пучков при дифракции мед-лепных электронов найдено, что среднеквадратичная амплитуда тепловых колебаний поверхностных атомов на границе твёрдое тело - вакуум примерно в 1,5 - 2 раза превышает объёмное значенпе.

Оптические свойства П. Соотношения между амплитудой, фазой и поляризацией падающей, отражённой и преломлённой на П. световых волн определяются Френеля формулами. У П. образуются связанные состояния фотонов с поверхностными оптич. фононами, плазмонами и др. дипольно-активпыми квазичастицами, наз. поверхностными поляритонами. Анализ их характеристик лежит в основе одного из перспективных оп-тич. методов исследования П. Интенсивность комбинационного рассеяния, света на молекулах, адсорбированных на металлах, в ряде случаев значительно выше (в 10⁴ - 10⁷раз), чем на тех же молекулах в объёмной фазе (гигантское комбинационное рассеяние). Это обусловлено усилением эл--магн. поля геом. неоднородностямп П., а также эфф. передачей энергии от поверхностных электронных возбуждений колебательным модам адсорбиров. молекул. При пересечении П. заряж. частицами наблюдается эл--магн. переходное излучение.

Магнитные свойства П. Теория предсказывает отличие намагниченности поверхностного слоя, а также температуры магн. фазовых переходов на П. от соответствующих объёмных значений. Эксперим. исследования магнетизма П. осуществляются методами дифракции медленных поляризов. электронов, а также с помощью квантовых магнитометров, чувствительность к-рых достаточна для измерения намагниченности отд. монослоёв вещества.

Массоперснос на П. происходит при достаточно низких темп-pax быстрее, чем в объёме, поскольку энергия активации поверхностной диффузии вследствие большей свободы перемещений частиц обычно в 2 - 5 раз меньше, чем объёмной диффузии (коэф. диффузии зависит от атомной структуры П. и различен для разных граней кристалла). В процессах поверхностного массо-переноса проявляются коллективные эффекты, обусловленные взаимодействием поверхностных частиц и их скоррелиров. движением.

Поверхностная энергия. П. обладает нек-рой избыточной поверхностной энергией, т. к. образование П. требует разрыва или перестройки связей между атомами или молекулами в конденсиров. среде. Работа образования единицы площади П. равна уд. поверхностной свободной энергии (поверхностному натяжению). При фазовых переходах 1-го рода, когда в однородной системе начинает выделяться новая фаза, необходимость затраты энергии на образование межфазной П. приводит к явлениям перегрева или переохлаждения (см. Кипение, Кристаллизация).
Равновесное состояние системы конечных размеров определяется (при пост. объёме) минимумом суммарной свободной энергии, в к-рую вносит вклад как объём, так и П., причём относительный вклад П. изменяется обратно пропорц. размеру объекта. Уменьшение поверхностной свободной энергии, происходящее за счёт тех или иных изменений П. (сокращения её площади, понижения энергии в результате насыщения свободных связей поверхностных атомов и молекул и т. д.), служит движущей силой таких поверхностных явлений, как адсорбция, смачивание, растекание, адгезия и коге-зия, коагуляция акустическая, образование капель, капиллярные явления и др. Эти явления находят практич. применение в разнообразных технологиях. Напр., используется то обстоятельство, что в результате адсорбции изменяются как свойства адсорбиров. частиц (см. выше), так и свойства подложки: работа выхода и определяемые ею эмиссионные характеристики, скорость испарения вещества подложки, хим. активность П. по отношению к разл. реакциям. В веществах, у к-рых адсорбция уменьшает поверхностную энергию, облегчается образование дефектов, тем самым понижается прочность твёрдых тел (см. Ребиндера эффект). Адсорбция стимулирует также образование эмульсий и пен (см. Поверхностно-активные вещества).

Экспериментальные методы, дающие информацию о поверхностных явлениях на атомном уровне, разнообразны. Это автоэмиссионная микроскопия (см. Ионный проектор ),дифракция электронов, инфракрасная спектроскопия, ионная спектроскопия, комбинационное рассеяние света, оже-спектроскопия, сканирующая туннельная микроскопия, термодесорбц. спектроскопия, фотоэлектронная спектроскопия, электронная микроскопия, электрон-фотонная спектроскопия, эллипсометрия и др. Эти методы позволяют решать мн. практически важные задачи в области электроники, роста кристаллов, вакуумной техники, катализа, повышения прочности материалов и их обработки, борьбы с коррозией и трением и т. д. Т. к. роль П. особенно велика для частиц малых размеров и тонких плёнок, то исследование поверхностных явлений приобрело особо важное значение для развития микроэлектроники.

Литература по поверхностям

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.