Физико-химия наноструктурных материалов

Процессы на поверхности и в приповерхностных слоях

В процессах формирования микрои наноструктур ключевую роль играют поверхность, состояние поверхности, как отдельного элемента чипа, так и элементов наноконструкций.

Под поверхностью будем понимать границу раздела между двумя контактирующими средами. Различают свободную, или атомно-чистую поверхность, которая формируется в вакууме и чиста от загрязнений; покрытую поверхность, на которой существует адсорбированная пленка; контактную поверхность, представляющую собой границу раздела между конденсированными средами.

В каждой из контактирующих сред имеется свой слой, в котором элементный состав, атомная и электронная структура, химическое состояние существенно отличаются от свойств в объеме. Это приводит к изменению электронных, магнитных и химических свойств вещества в приповерхностном слое. Толщина такого слоя зависит как от физической природы соприкасающихся сред, так и от внешних условий. Например, толщина слоя, в котором определяющую роль играют электронные свойства, определяется длиной экранирования электрического поля в среде и лежит в пределах от 10 ⁸ см (100 А) для металлов до 10 ³—10 ⁴ см (~ 1 мкм) в полупроводниках, плазме.

Существенную роль в общей характеристике поверхности играют размерные эффекты на поверхности. Размерные эффекты представляют собой зависимость физических характеристик твердого тела от его размеров и формы. В случае, когда один из геометрических размеров тела, например толщина слоя h, порядка или меньше длины волны де Бройля, речь идет о квантовом размерном эффекте. Такие эффекты связаны с квантованием квазиимпульса. В этом случае энергетические зоны электронного спектра расщепляются на подзоны, и формируется зонная структура вещества. Квантовые размерные эффекты начинают играть заметную роль, когда размер области локализации свободных носителей становится соизмеримым с длиной волны де Бройля.

Для металлов де-бройлевская длина волны (л_|;) составляет 0,1 —1,0 нм, поэтому квантовые эффекты могут иметь место в кристаллитах или тонких пленках. В полуметаллах и полупроводниках Х_п составляет около 100 нм, и проявление квантовых эффектов выражено более ярко.

Квантовые эффекты имеют место также при достижении размеров, соизмеримых с размерами квазичастиц — экситонов, магнопов, поляронов. В этом случае меняются магнитные и оптические свойства вещества.

К классическим размерным эффектам относят эффекты, в которых роль характерной длины играют классические величины: длина свободного пробега носителей или квазичастиц заряда, диффузионная длина, дебаевский радиус экранирования и т. п. Размерные эффекты в явлениях электропроводности связаны с падением удельной электропроводности проводников, а также уменьшением толщины слоя /?. Основные причины этого заключаются в особенностях процессов рассеивания носителей заряда.

Размерные эффекты в процессах теплопроводности в металлах обусловлены переносом тепла электронами и фононами. Вклад электронов в коэффициент теплопроводности определяется законом Видемана — Франца. В диэлектриках перенос тепла осуществляется в основном фононами, а коэффициент фононной теплопроводности определяется законом Дебая. Теплопроводность магнетиков обусловлена движением как фононов и электронов, так и магнонов. Вклад магнонов в теплопроводность зависит от величины магнитного поля. При отражении электронов проводимости межфазной границей «металл (или полупроводник) — сверхпроводник» меняется направление вектора скорости электронов. Имеет место закон отражения Андреева. Размерные магнитоакустические явления порождают гигантские квантовые осцилляции, магнитоакустические резонансы и т. п.

Размерные эффекты служат методом исследования поверхности твердого тела, определения параметров квазичастиц, эффективных масс электронов, их скорости и кривизны в любой точке поверхности Ферми.

Историческая справка Лауреат Ленинской премии, академик РАН А. Ф. Андреев открыл фундаментальное явление, известное как «андреевское отражение». Это отражение носителей заряда (электронов и дырок), падающих из нормального металла на границу со сверхпроводником, при этом электрон превращается в дырку, а дырка — в электрон. При классическом зеркальном отражении угол падения равен углу отражения. В процессе «андреевского отражения» отраженный носитель заряда (частица или волна) движется обратно точно по той же траектории. На основе этого явления созданы универсальные физические приборы — андреевский спектрометр, андреевский интерферометр, андреевский рефрижератор, андреевский болометр, андреевский биллиард, андреевское зеркало. Ученый предсказал новые явления квантовой диффузии, сверхкристаллизации, волны плавления-кристаллизации. Им были открыты новые состояния вещества: квантовые кристаллы, ферми-жидкости па поверхности сверхтекучего гелия.