Lecture3-表面电子态分析
表面分析方法PPT课件
– LEED所用的LaB6灯丝,STM中用来防振荡的氟化 橡胶(Viton),AFM所用的探针等都是材料科学发 展的新产物。
04.02.2021
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2
“表面”的概念
• 过去,人们认为固体的表面和体内是完 全相同的,以为研究它的整体性质就可 以知道它的表面性质,但是,许多实验 证明这种看法是错误的;
• 关于“表面”的概念也有一个发展过程, 过去将1厚度看成“表面”,而现在已把 1 个或几个原子层厚度称为“表面”,更 厚一点则称为“表层”。
04.02.2021
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表面分析方法的特点
• 用一束“粒子”或某种手段作为探针来探测样 品表面,探针可以是电子、离子、光子、中性 粒子、电场、磁场、热或声波(机械力),在 探针作用下,从样品表面发射或散射粒子或波, 它们可以是电子、离子、光子、中性粒子、电 场、磁场、热或声波。检测这些发射粒子的能 量、动量、荷质比、束流强度等特征,或波的 频率、方向、强度、偏振等情况,就可获得有 关表面的信息。
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显微镜类 分辨本领 型
人眼
0.2mm
工作条件 工作温度 样品 损伤
光学显微 镜
SEM(二 次电子)
0.2m
横向:6nm 纵向:较低
高真空
低温、室 轻微 温、高温 损伤
TEM
横向:点3~5 高真空 Å,线1~2 Å
纵向:很差
低温、室 中等 温、高温 程度
损伤
FIM
横向:2 Å 超高真空 30~80K 严重
– 自由电子的动能Ek 。
则 h= Eb+ Ek +
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
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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
(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
表面分析方法演示文稿
第20页,共33页。
7.2.5.2.单色器—电子能量分析器
2. 筒镜电子能量分析器
第21页,共33页。
7.2.5.2.单色器—电子能量分析器
3. 检测器 由于原子和分子的光电子截面都较小,因此从原子或分
子产生并经能量分析器出来的光电子流仅10-13 10-19A,要接 受这样弱的信号,必须采用电子倍增器,如单通道电子倍增 器或多通道电子倍增器。
种分析方法称为二次离子质谱法(secondary ion mass spectrometry, 简称SIMS)。
二次离子质谱有“静态”和“动态”两种。
第30页,共33页。
7.3.2. 二次离子质谱仪
第31页,共33页。
7.4. 扫描隧道显微镜和原子力显微镜
7.4.1.扫描隧道显微镜的基本原理 基于量子力学的隧道效应。
第32页,共33页。
7.4.2. 仪器装置
由xyz位移器、针尖和计算机接口等三部分组成。
仪器结构的两个核心问题分别是获得单原子直径的尖端 和维持隧道结间隙的稳定性。
通过切削Pt/Ir丝或电解腐蚀W丝,并采用进一步精细处 理(例如用针尖与试样之间加较大直流或交流电流以及预扫描
10 ~ 60 min)可以制备这种单原子针尖;后一问题的解决方 法是采用严密的振动隔离系统、使用刚性和热胀系数相近的 构件连接针尖或试样、保持恒温和绝热等,这些措施可以使
产额等于0;若Ein过大,入射电子与原子相互作用时间过短,
也不利于产生Auger电子。通常采用较小的入射角(10° 30°),可增大检测体积,获得较大的Auger电流。
第14页,共33页。
7.2.4.4. Auger电子的能量
Auger电子的动能只与电子在物质中所处的能级及仪 器的功函数 有关,与激发源的能量无关。
表面界面物理§PPT课件
2019/12/21
可编辑
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• 表面电子处于独自的量子系统。它们遵守F-D分布
• 图3-10中的E0就是表面电子的Fermi能级 • 根据F-D分布,在绝对零度时,EF能级下装满电子,EF以
上则是空的
• 在EF下的表面态上有电子,它可以给出电子,所以是施 主;而EF上的能级则是空的,所以是受主
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可编辑
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Bandstructure of Cu(111)
Surface BZ
M G
K
Schockley 态
Tamm态
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PbS(001)
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Si的表面态
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悬挂键 dangling bongding
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And some bonds are broken.
Total energy of the system: GI+II=GI+GII+Dgsurface
2019/12/21
g D surface>0 可编辑
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表面效应
• Surface energy
• Atomic structure relaxation
波函数在za2处连续在表面处存在位于禁带的表面态1220191223可编辑tamm求解一维schrodinger方程证明了在晶体禁带中出现了局域在表面在表面两侧都呈指数衰减边界条件对求解结果很重要边界条件不同所得到的结果不一样tamm态是非对称中断1320191223可编辑shockley认为tamm模型过于简单设想并计算了具有成对终端的原子链1420191223可编辑tamm理论的表面势在表面区非对称性中断不考虑原子间距实际对应于间距较大的情况这时体内原子对表面原子作用小所以表面势与体内的势场无关shockley理论的表面势在表面区对称性中断是原子间距较小的情况可视为源于价键断裂产生的悬挂键又成为悬键表面态内层原子对表面原子仍有影响所以在表面的势场与内部的周期性势场有一定的联系二者皆论证了表面局域态的存在1520191223可编辑1620191223可编辑tamm态和shockley态是理想表面的不同表面势场的结果这是个一般性的结论从化学键和静电势来看对于共价键的硅晶体表面在表面处形成了悬挂键上面只有一个未配对的电子它可以成为失去电子的施主表面态或接受一个电子配对成为受主表面态1720191223可编辑表面态的电子由于体能带的限制在带隙中不能进表面处电子是定域的所以表面态对应的能级出现在禁对于有些电子态虽然其概率主要也在表面附近但是它可以深入体相中这就是表面共1820191223可编辑大都具有满売层结构
表面物理化学-3
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
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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
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
表面电子能谱分析 ppt课件
1. X射线光电子能谱 2. 俄歇电体表面的化学组成和体内不完全相同,甚至完全不同, 造成这种差别的原因主要有:
★ 表面原子(或离子)化学键部分断裂(悬挂键), 能量状态与体内不同;
★ 外来物在表面的吸附、污染; ★ 表面的氧化、腐蚀和摩擦; ★ 人为加工的表面,如离子注入、钝化和各种涂层。
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。
• 把试样放置在金属试样架上,并与仪器(谱仪)紧密连接和良好接 地;
• 由固体物理理论可知,由于试样与仪器同时接地,处于等电位状态, 试样和谱仪(壳材料)的费米面拉平;
• 此时,忽略Er,则试样和谱仪壳材两者分别有以下能量关系:
试样谱仪未连接
试样谱仪连接
• 试样和谱仪连接时,探测到光电子的动能为EKsp,减掉谱仪材料的逸
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。
★同一元素的不同壳层电子激发灵敏度不同
Lecture3 表面电子态上课讲义
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:
k(x,y,z) k(xL ,y,z) k(x,yL ,z) k(x,y,0 ) k(x,y,L )0
The corresponding normalized wave function is:
E h2k 2 2m
1
kF (2mEF) 2/h
表面处的电子密度
Friedel oscillations ~z-2
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.
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.
半导体器件中的表面态原理及其特性研究
半导体器件中的表面态原理及其特性研究随着电子设备的发展和人类对技术的不断探究,半导体材料作为电子器件重要的基础材料之一,其表面态原理及其特性研究变得愈加重要。
半导体表面能够调节电荷传输,而表面态则是半导体界面过渡区中的一种电子态,具有重要的电学、光学和磁学性质,是构建半导体器件的关键所在。
本文将着重介绍半导体器件中的表面态原理及其特性研究。
一、表面态的基本概念表面态是指半导体表面区域处存在的一种电子态。
在半导体表面上,晶体结构由于与周围环境断裂而发生变形,在变形区附近形成一种带有束缚能的电子态,这便是表面态。
表面态的存在对半导体器件性能有较大影响,能够影响电荷传输、电阻率等物理性质。
二、表面态特性的研究方法为了更好地研究表面态的特性,需要采用相关的表面分析技术。
目前常用的表面分析方法有X射线光电子能谱、光电子发射光谱、拉曼光谱和原子力显微镜等。
其中,X射线光电子能谱技术能够针对半导体表面进行电子态结构表征,此外,也常常用于表面化学性质分析。
光电子发射光谱则是通过激发表面电子,来研究表面电子的吸收谱和寿命等特性。
拉曼光谱技术则能够进行表面晶体结构分析和表面化学成分的测量。
而原子力显微镜则主要用于表面形貌的测量和显微观察。
三、表面态的特性1. 表面态的束缚能表面态的束缚能表示表面态电子相对于能带的位置,也即是表面态电子相对自由电子的相对位置。
表面态束缚能的数值与半导体表面的结构有关。
一般来说,表面原子的配位数越小,表面态束缚能也就越高。
2. 表面态密度表面态密度是指单位能量内表面态的数量,表面态密度的大小与表面结构有关。
表面态密度的高低会影响半导体晶体与外界的电荷传输,特别是在半导体器件的介电层上,表面态密度过高会影响介电常数、电荷传输速率等关键电学特性。
3. 表面态的电荷表面态的电荷是指表面态能级上电荷的大小和分布情况,其会影响电电势分布、信号传输等方面。
半导体材料表面电荷的存在会导致热载流效应、极化效应以及电子隧穿效应等,从而引起信号和干扰效应,需要在设计过程中予以重视。
电子能谱分析.ppt
探测器
发射波 或粒子
样品
数据处理与结果显示
现代分析技术的基本原理图
(1) 表面和界面的概念
Ⅰ. 表面和界面概念的引入
我们从固体物理学中知道,理想晶体是由一种称为“晶胞”的结构单元在 三维空间中重复排列而形成的一个无限“连续体”。但实际上各种物质并 不是无限连续的,而是有尽头的,这个尽头就是不同物质的交界处,即所 谓界面。如固气界面是固体与气体的界面,固液界面是固体与液体的界面, 同样还有液液界面,固固界面,液气界面。人们习惯上将固气界面和固液 界面称为固体和液体的表面,实际上是凝聚态物质与气体或真空的一种过 渡状态。
能谱仪功函数小 于样品功函数时, 在样品和能谱仪 之间产生一定的 电位差△V,使 光电子加速,获 得动能为Ek′
能带:由于原子间的相互作用,使各原子中每一能级分裂成 等于晶体中原子数目的许多小能级,这些能级通常连成一 片,称为能带。
导带:未充满电子的能带。
Ek′= Ek+ △φ
Ek′= Ek+ (φs- φsp)
(2)样品受激发产生光电子。
光电子的产生:M+hυ
M+* + e-
与XPS的区别:原子受激发,原子中价电子获得能量被电
离而成为光电子释放出来。
价电子:离核远,受原子核束缚作用小,容易失去的电子。
内层电子:离核近,受原子核束缚作用大,容易失去的电子。
(3)UPS 分析方法的原理 原理与XPS类似。
紫外光
激发光源:He气或Ne气
He I光子是He原子激发 产生的,He II光子是一 次电离后的原子产生的
真空紫外灯的结构
紫外源 He II He I Ne I
Ar I
H (Ly)
薄膜制备与表面分析(3)课件
即WiXpYq
型跃迁(p>i,q>i),称为超C-K跃迁。 薄膜制备与表面分析(3)课件
AES Auger效应
❖在实用的Auger电子能谱仪中,初态空 位的产生是通过具有一定能量的电子束 轰击样品表面而实现的。
❖用于表面分析的Auger电子的能量一般 在0~2000eV之间。
薄膜制备与表面分析(3)课件
薄膜制备与表面分析(3)课件
AES Auger效应
❖Auger过程
(a) KL1L3 Au薄g膜e制r备与跃表面迁分析((b3)课)件K1 辐射跃迁
AES Auger效应
❖Auger过程
Ejected core level electron
EV
Auger electron emission
EV
薄膜制备与表面分析(3)课件
AES Auger电子的能量和产额
❖Auger电子几率
在电离原子的去激发过程中,只有辐射跃迁和无 辐射跃迁两个方式。对应二者的几率Pa和Px有Pa +Px=1。(E.HPx.S.)Bnu rhA op给B出Z了C PZ x的3半经验公式:
1Px 其中Z为原子序数。A.H.给出的n, A, B, C如下: n=1/4,A= -6.410-2,B=3.410-2,C=-1.0310-6
EY(Z) [EY(Z+1) EY(Z)]
这样
EWXY(Z) = EW(Z) EX(Z) EY(Z) [EY(Z+1) EY(Z)] A
薄膜制备与表面分析(3)课件
AES Auger电子的能量和产额
❖Auger电子能量的半经验方法
从量子力学的观点看,WXY和WYX过程是无法区
分的,因此有 EWXY(Z) = EWYX(Z)
高二物理竞赛课件:各种表面层状态
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。
分析化学33D
5.3 X射线光电子能谱法
用X射线作激发源的称为X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron 射线作激发源的称为X射线光电子能谱 Spectroscopy, XPS)。 。 激发源是元素的特征X射线,常用的有Al α 激发源是元素的特征X射线,常用的有 Kα12线(能量为 1486.6 eV)和Mg Kα12线(能量为 Kα 能量为1253.6 eV)。 和 。
光电子从产生处向固体表面逸出的过程中与定域束 缚的电子会发生非弹性碰撞,其能量按指数衰减。 缚的电子会发生非弹性碰撞,其能量按指数衰减。 光电子能谱法所能研究的信息深度取决于逸出电子 的非弹性散射平均自由程,简称电子逃逸深度 电子逃逸深度(或平 的非弹性散射平均自由程,简称电子逃逸深度 或平 均自由程), 随样品的性质而变, 均自由程 ,λ。λ随样品的性质而变,在金属中约为 0.5-2 nm,氧化物中约为 ,氧化物中约为1.5-4 nm,对于有机和高分 , 子化合物则为4-10 nm。 子化合物则为 。
第五章 表面分析技术 Surface analysis techniques
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 导言 光电子能谱的基本原理 X射线光电子能谱法 紫外光电子能谱法 Auger电子能谱法 Auger电子能谱法 电子能谱仪 二次离子质谱 扫描探针显微技术
Gerhard Ertl “for his studies of chemical processes on solid surfaces” (2007年化学诺贝尔奖) 2007年化学诺贝尔奖) 年化学诺贝尔奖
5.3.1 电子结合能
电子结合能是一个原子在光电离前后的能量差,即原子的始态 电子结合能是一个原子在光电离前后的能量差,即原子的始态(1) 和终态(2)之间的能量差 之间的能量差: 和终态 之间的能量差:
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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
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
z<0
Where: sin kz
k0
k02
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.
波函数在表面处的连续性
E 3 2
1
Shockley state
Vg<0 Vg>0
The curvature of Ψk can match the decaying vacuum solution only for Vg>0
近自由电子模型的使用范围
• Assuming that the valence electrons are completely delocalized when the solid is formed(metal).
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
ห้องสมุดไป่ตู้
(g
2
2
Vg2
)1 2
where:
k g2
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
In the bulk, k has to be real due to the periodic boundary conditions. However, the termination of a crystal, i.e. the formation of a surface, obviously causes deviation from perfect periodicity. Therefore, k can be taken as complex number.
{2 Va (r) [VL (r) Va (r)]} (r) E (r)
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
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.
• 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.
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 /
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:
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:
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:
• The splitting and shifting of energy levels of the atoms forming the crystal is therefore smaller at the surface than in the bulk.
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:
• Since the atoms residing in the topmost surface layer are missing their bonding partners on one side their orbitals have less overlap with the orbitals of neighboring atoms.
• 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.
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:
表面处的电子密度
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 kF3 / 3 2
一维有限深势阱
Phase shift z>>0
• This approximation applies to fairly localized electrons.
• It is successful in the treatment of transition metals and also for wide-bandgap semiconductors and insulators.
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.