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, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.