Lecture3 表面电子态

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高二物理竞赛课件:各种表面层状态

高二物理竞赛课件:各种表面层状态
• 表面电场不随时间变化,
或随时间变化的足够缓慢,
使得表面空间电荷层中载
流子的变化跟得上表面电
场的变化。
• 表面电场振幅大,变化快(脉冲电场)。
• 空间电荷层中少子的产生速率赶不上电压
的变化,反型层来不及建立,为了保持和
金属板上的电荷平衡,只能依靠将耗尽层
向半导体内部继续推进而产生更多的电离
受主。
• 空间电荷区的电荷全部由电离受主提供,
此时表面处费米能级到导带底的距离小于到价带
顶的距离,即:
− ≤ −
其中 = 0 − , = 0 −
1
2
得出: ≥ (0 + 0 ) − ≡
由: =
1
2
0 + 0 − ln

< −3, ≈ −Τ2 ; > 3, ≈ 1Τ2 Τ2
= 10−5 或 = 10−10 时,
< −3, ≈ −Τ2 ;
> 16和 > 28, ≈ 1Τ2 Τ2
1Τ2
1+
||很小时, ≈
||
2
不同取值及不同x范围,F函数有不同的简化形
表面附加电导:
□ = ( +
□ 代表一个方形表面薄层的附加电导。
□ (0)表示表面处为平带状态时的薄层电导,则半导体表面层总的薄层电导为:
□ = □ (0) + ( +
表面薄层电导与半导
体的表面势VS密切相关,
也与半导体的表面状况及
表面状态的微分电容为:
表面势的绝对值|Vs|越大,能带在表面处向上弯曲得越厉害,表面层空穴
的浓度越高,表面微分电容也就越大。

表面电子态的实验测量方法

表面电子态的实验测量方法

图1 纳米管不饱和侧面的表面VBM电子态
图2 (a) 单根CuO纳米线的AFM形貌像,(b) 利用 AFM电流像方法获得的CuO纳 米线的表面态分布图像。
3
表面分析技术是一种统称,指利用电子、光子、离子、原 子、强电场、热能等与固体表面的相互作用,测量从表面散射
或发射的电子、光子、离子、原子、分子的能谱、光谱、质谱
9
2、反光电子谱
反光电子谱(Inverse Photoelectron Spectroscopy,IPES),是研究
空表面态的有效方法。它是利用(可调能量的)电子入射到表面而测量
从表面出射的光子,这些光子 是在入射电子跃迁到空的电子 态(包括表面态)时放出的。
光子
电子
光子
电子
图4 PHI 5000 Versaprobe II 多功能型描 XPS微探针(可分析反光电子能谱)
现为非对称结构,除主峰外,在费米能级以上约1.0 eV处还有一肩峰。
由此可见,整个BIS谱可分解为两条谱线(见图12中的虚线):其中主 峰被指认为属于体带中的直接跃迁;肩峰能级位于真空能级以下3.4 eV ,费米能级以上1.1 eV,被指认为n=0的表面态,因为吸附CO后该肩峰 基本消失,但直接跃迁的主峰一点没有改变(见图12上部曲线)。这种区别 表面态和表面想象势态的方法,与用2PPE谱识别的方法基本相同,这为 人们研究想象势态、表面态及化学吸附提供了一个有效的方法。
• 金属/半导体界面的肖特基势垒和
Si(1 1 1)-7x7表面等热点研究 • 导电聚合物中电子结构和导电机 制的研究取得新成果
7
3)走向成熟时期 新的研究技术 主要成就
• 对于像Si(1 1 1)-7x7这样复杂表面 • 扫描隧道显微镜(STM) ---可得到原子分辨级的表面原子 结构的实空间图像 • 扫描隧道谱(STS) ---可获得与表面局域结构相联系 的表面态的实空间图像

表面电子态的计算方法汇总

表面电子态的计算方法汇总
2020/10/3
(a) (Ⅰ)
V0 (Ⅱ)
z (b)
图1 近似地认为晶体中周期势一直延伸到表面 2020/10/3 (a)无限晶体中周期势场V(x);(b)半无限晶体
• Tamm在1932年就根据上述想法指出,由于表面的存在,故可能引入 附加的表面态,它局域在表面附近而向体内衰减,表面态能量可以在 无限晶体的禁带以内。由上面可知,通常对于三维无限晶体,只要求 实数波矢k所对应的能量和波函数,而对于具有表面的晶体,复数波 矢所对应的能量和波函数也可能是有意义的,我们称之为复数能带结 构。而表面电子态归结为寻找复波矢波函数中能和真空波函数衔接起 来的那些波函数和对应的能量。
• 1964年Pugh也采用线性组合法,完成了紧束缚模型的计算。计入了第 一、二、三层近邻原子势的微扰作用,得到了金刚石(111)表面态 能带的E~K 关系,并计算了这种位于禁带中央附近的表面态能带态密 度。发现表面态非常集中,在极窄的带宽中的状态占总数的90%以上。
2020/10/3
自洽赝势方法
2020/10/3
• 1948年,Shockley和Pearson为验证Bardeen的假说设计了世界上最早的 场效应实验装置.证明在表面电场的作用下,表面空间电荷的一部分会 发生移动,但大部分不动,原因是这些电荷“陷阱”了表面态。
• 1957~1960年间,库特基和Tomasck等人用线性组合法(LCAO)较有 成效地处理了理想晶体表面的各种局域态,发现肖克莱型表面态形成 能带,其宽度很窄(0.2eV左右).当表面势微扰相当强烈时表面态形 成的能带会移到禁带中央以下。
• Appelbaum等对表面电子态的计算迈出了很重要的一步。他们采用了 能很成功地计算体内能带的赝势方程,而且对表面势作了自洽计算。 图1显示的表面势为早期的模型,相当于体内的晶体势延伸到表面然 后在界面处突然中断而代之以真空中的常数势。既然势V的一部分来 自电子相互作用,表面电子态与体内的不用必然引起表面势与体内的

《半导体物理》讲义:第八章 半导体表面

《半导体物理》讲义:第八章 半导体表面

第八章半导体表面表面性质对半导体中的各种物理过程有着重要影响,因此对许多半导体器件的性能起着重要作用,特别是对薄层结构器件的性能甚至起着决定性的作用。

§8-1 表面态与表面空间电荷区1. 表面态:在半导体表面,晶体的周期性遭破坏,在禁带中形成局域状态的能级分布,这些状态称为表面态;当半导体表面与其周围媒质接触时,会吸附和沾污其他杂质,也可形成表面态;另外,表面上的化学反应形成氧化层等也是表面态的形成原因。

2.施主表面态、受主表面态和复合中心表面态:当表面态起施主作用时称施主表面态,起受主作用时称受主表面态,起复合中心作用时则称复合中心表面态。

3.表面电荷和表面空间电荷区:半导体表面具有的施主态,可能是中性的,也可能向导带提供电子后具有正电性,此时半导体表面带正电荷。

反之,如果表面态为受主态时,半导体表面则可能带负电荷。

这些电荷称表面电荷,一般用Q ss表示。

表面电荷Q ss与表面态密度N s及表面态能级E s上的电子分布函数有关。

在热平衡条件下,半导体整体是电中性的。

表面电荷Q ss的存在使表面附近形成电场,从而导致表面附近的可动电荷重新分布,形成空间电荷Q sp,其数量与表面电荷相等,但带电符号相反,即有Q sp=-Q ss,以保持电中性条件。

表面空间电荷存在的区域称表面空间电荷区。

在半导体中,由于自由载流子的密度较小(和金属比),因此空间电荷区的宽度一般较大。

如:对表面能级密度为1011cm-2﹑载流子密度为1015cm-3的Ge,其空间电荷区的宽度约为10-4cm。

而对本征Ge,n i约为1013cm-3,其空间电荷区的宽度可达0.1cm。

半导体表面空间电荷区的存在,将使表面层的能带发生弯曲。

下面以具有受主型表面态能级E as的n型半导体为例,分析表面空间电荷区的形成。

如图8.1a所示,当电子占据受主型表面能级时,半导体表面产生负表面电荷,而在表面附近由于缺少电子而产生正表面空间电荷,从而在空间电荷区V表产生指向半导体表面的电场,引起表面区附近的能带向上弯曲。

表面物理化学-3

表面物理化学-3
25
表面粗糙度对功函数的影响
“反向偶极矩”
随着表面台阶位密度(roughness)的增加,功函数线性下降
4N s
Ns:表面台阶密度;:单位原子台阶的偶极矩
26
Pt > Au
吸附对功函数的影响:
△=4e (:附加偶极矩,: 表面浓度)
27
表面覆盖度的影响:高覆盖度时,△=4e(1+93/2) (:极化率)
6
过渡金属d和sp能带的示意图
过渡金属sp-d能带相互重叠, 强相互作用的4s电子形成宽带,d能带相互作用较小,能带较窄
7
金属-金属界面的能级
当良好电接触的两种材料达到平衡状态时, 其化学势相同, 即其 费米能级相同.
A B Evac EFB
-eVA -eVB
EFA
A
EFA
B
Evac EFB
VA A
+ + + -
VB B VA>0,VB<0
Evac:T=0K, 将一个电子从 材料中移至无穷远处所需的 最小能量 =Evac-EF 最小能量,
两种金属电接触前(a)和电接触后(b)的电子能带示意图. 接触电势:
A C B A EF EB F
8
半导体:
价带和导带之间有完整的带隙 (bandgap). Eg = EC – EV < 5.5 5 5 eV V (一般 般~ 3eV) 3 V)
CO/Rh(111) ( )
bridge sites top sites
金属-CO CO 存在 d→* 反馈
Na+离子形成的偶极子之间的斥力作 用,去极化
28
4.3.3 功函数的测量

表面电子能谱分析 ppt课件

表面电子能谱分析  ppt课件

1. 电子散射截面随不同壳层而不同,一般规律是:激发几率与电子轨道 半径r平方成反比,即 1/r2,电子轨道半径愈大,则轨道上电子面密 度降低,电子被激发几率就降低,反之亦然;
2. Wagner测定了周期表中所有元素的激发规律,为了比较激发几率相对 大小,他将F1s电子发强度作参比,而把其它元素电子激发强度与F1s 强度相比,即Ix / IF1s,并定义此值为激发灵敏度。结果发现:
ppt课件
5
1.1 基本原理
1.1.1 光电子的产生
光电子的产生是基于能量为h的光子与物质原子中的电子产生非弹 性散射的过程。当一个h光子将其能量传递给原子中某一壳层上受束 缚电子,且当h大于(能克服)该电子结合能Eb (binding energy, BE),
则可将其激发电离为二次电子,并以一定动能 EK(kinetic energy, EK) 逸出,可见信息产生是基于爱因斯坦光电效应。
因此,在实际应用中,人们要对材料和器件工作表面的
宏观性能做出正确的评价与理解,首先必须对各种条件下表
面的化学组成和化学状态进行定性和定量的测定和分析。
ppt课件
2
• 固体表面状态,包括表面成分、结构、配位、化学键性、 能带、电子态等等,对材料的许多物性以及相关的应用和 理论都有非常重要的意义。
• 人们早就十分关注固体表面问题,但一直受到实验手段的 局限,主要是缺乏在原子水平表征、研究材料成分、结构、 状态和性能的直接手段。
ppt课件
4
1. X射线光电子能谱
X射线光电子能谱法(XPS),因最初以化学领域应用为主要 目标,故又称为化学分析用电子能谱法(ESCA)。
XPS是由瑞典Uppsala University的物理学家Kai M. Seigbahn带领他的学生及同事于1962年首次建造,并历经20 年研究发展起来的。

第三课:表面电子结构

第三课:表面电子结构

For z << L: If we integrate ρ-(z)- ρ0- from z=0 to z=, we find:
拓展到三维情况
有表面存在情况下的动量空间
Assuming the electrons are bounded in z-direction by impenetrable potential at z=0 and z=L, and free to move in xy-direction:
一维线性链模型
考虑由N个原子组成的线性链,原子间距为a:
a 1 2 a 3 a 5 a 6
……..
N
体系的周期性势场为VL(r)为各格点原子势场Va(r-na)之和:
VL (r ) Va (r na)
n 1 N
其中孤立原子的薛定谔方程为:
[2 Va (r ) Ea ] (r ) 0
Ves(r)
下一次课
Remarks
• The jellium model description of a metal surface neglects the details of the electron-ion interaction and emphasizes the nature of the smooth surface barrier. • The nearly free electron model emphasizes the lattice aspects of the problem and simplifies the form of the surface barrier.
波函数在表面处的连续性
E 3 2
Shockley state Vg<0

Lecture 3

Lecture 3

State Key Laboratory for Physical Chemistry of Solid Surfaces
厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室
Barometer: The Apparatus to Determine Pressure of Gas
Patm
• Barometer. (a) The pressure of the atmosphere Patm is equally P=0 exerted on the mercury in the dish and on the mercury in the tube. Thus the mercury does not rise. (b) the pressure of the atmosphere is exerted on the mercury in the dish, but no Patm pressure is exerted on the mercury in the evacuated tube. 760mm Thus the mercury rises in the tube. The height of the mercury is a measure of the atmospheric pressure, which is 760mmHg in this diagram.
Chemistry English
Lecture 3
State Key Laboratory for Physical Chemistry of Solid Surfaces
厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室
Chapter 5 Gases and Atmosphere
5.1 Introduction • Many important substances exist normally as gases at room temperature and sea-level pressure, including life-sustaining O2, as well as N2, F2, Cl2, H2 and the noble gases He (Helium), Ne (Neon), Ar (Argon), Kr (Krypton), Xe (Xenon), and Rn (Radon).
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物理图像
• This picture, it is easy to comprehend that the existence of a surface will give rise to surface states with energies different from the energies of the bulk states.
We have:
For z << L:
z
If we integrate ρ-(z)- ρ0- from z=0 to z=, we find:
拓展到三维情况
有表面存在情况下的动量空间
Assuming the electrons are bounded in z-direction by impenetrable potential at z=0 and z=L, and free to move in xy-direction:
• The perturbation of the lattice potential is weak(narrow-band semiconductor).
3. 紧束缚近似模型
• The tight-binding approximation using wave functions written as linear combinations of atomic orbitals centered at each lattice site.
M. C. Desjonqùeres and D. Spanjaard, Concepts in Surface Physics, Springer-Verlag, 1996.
一维无限深势阱
Assuming the wave function in the well can be :
With the boundary conditions:
• In 1932, he predicted what are now called surface states or Tamm states.
• He is also famous for his work on the Soviet Union's hydrogen bomb project.
1. 凝胶模型
• The jellium model, in which the valance electrons are in interaction with their own average charge and with an ionic charge uniformly spread in half the space, equilibrating the electronic density and, thus, are free. It applies to normal metals.
k (x, y, z) k (x L, y, z) k (x, y L, z) k (x, y,0) k (x, y, L) 0
The corresponding normalized wave function is:
E 2k2 2m
1
kF (2mEF ) 2 /
表面处的电子密度
a a a a ……..
12 3 5 6
N
体系的周期性势场为VL(r)为各格点原子势场Va(r-na)之和:
N
VL (r) Va (r na) n1
其中孤立原子的薛定谔方程为:
[ 2 Va (r) Ea ](r) 0
原子能级 原子束缚态
则一维线性链体系的薛定谔方程为:
{2 Va (r) [VL (r) Va (r)]} (r) E (r)
本节课主要内容
• 凝胶模型 • 近自由电子近似 • 紧束缚近似 • 镜像态 • 实例1:贵金属表面态 • 实例2:半导体表面态 • 实例3:拓扑绝缘体表面态 • 实例4:高温超导体表面态
表面电子态的分类
表面态的发现者
Igor Y. Tamm (1895-1971)
• Nobel Prize for Physics in 1958, for the 1937 work unraveling the science behind the blue glow of radioactive material immersed in liquid, called the Cherenkov effect.
The corresponding wave functions are:
长度为L的一维电子气 (周期性边界条件)
where n=0, 1, 2, 3……
The density of k states is thus L/2π
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可填充电子数 vs 费米波矢
无边界的一维电子气: L
一维无限深势阱: L
可以得到关于展开系数cn的齐次方程:
cn (E E0 ) (cn1 cn1) 0
可以证明,该方程有下列简单形式的解:
cn Aeinka Beinka A, B为任意常数
在没有表面的情况下,根据周期性边界条件:
(r) (r na)
可以得知,k为简约波矢,在第一布里渊区内共有N个值,密度为Na/2π 将cn的解代入上述cn的齐次方程可得:
Friedel oscillations ~z-2
(z) k* k k kF
when z is large:
体电子密度
(z)
0
1
3
cos 2kF z (2kF z)2
0
k
3 F
/ 3 2
一维有限深势阱
Phase shift z>>0
z<0
Where: sin kz
k0
k02
当k为虚数时,薛定谔方程存在下列形式解:
(z) ez cos( g z )
2
(z) eqz
z<a/2 z>a/2
where: q2 V0 E 0 Vg / g
根据表面处的波函数连续性,可以唯一确定k的取 值。该k值对应的电子态能量位于体能隙之中,其波 函数局域在表面附近,在表面外和体内都呈衰减行为。 该电子态被称作表面态。
微扰
根据简并微扰方法,线性链共有化电子的波函数可以写为:
N
(r) cn(r na) n1
将上式代入体系的薛定谔方程,并只考虑最近邻格点的交叠积分:
l | VL Va | m l,m l,m1
α: on-site matrix element β: nearest neighbor hopping matrix element
• The nearly free electron model emphasizes the lattice aspects of the problem and simplifies the form of the surface barrier.
2. 近自由电子模型
• The nearly free electron model, which is valid when the lattice potential is weak. Consequently, this potential is treated as a perturbation, the unperturbed states being free electron plane waves. This model can describe the electronic structure of normal metals and some narrow-gap semiconductors.
2mW0
2
当前模型的局限
• 没有考虑电子间的交换关联作用。 • 忽略了原子核的周期性分布。 • 非自洽的计算:势场应该从波函数得到。
更精确的方法: DFT-LDA
Ves(r)
Remarks
• The jellium model description of a metal surface neglects the details of the electron-ion interaction and emphasizes the nature of the smooth surface barrier.
k (z) Aeikz Bei(k g )z g 2 / a
将上述试解代入薛定谔方程可得:
能量本征值: 波函数:
E
V0
(
g 2
)2
2
(g
2
2
Vg2
)1 2
where:
k
g 2
能量色散关系E(ĸ2)
能隙
0 Vg / g
0
2 0
2 0
E
V0
(
g 2
)2
2
(g
2
2
Vg2
)1 2
k
g 2
z
Then, the normalized wave function is:
where, p=1,2,3… The density of k states is thus L/π
无边界情况
For infinite one dimensional electron gas, the Born-Von Karman boundary condition is:
For a given kF, we loose one state at the bottom of the band on making two surfaces.
有边界情况下的电子密度(一维无限深势阱)
Wave function:
At the continuum limit, N, L, but 2N/L remains constant and equal to the homogeneous bulk electron density ρ0- :
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