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).

04_08表面电子态 (1)

04_08表面电子态  (1)

电子的能量本征值
§5-8 表面电子态——能带理论
—— 能量发生中断
—— 第一布里渊区边界附近 电子的波函数
§5-8 表面电子态——能带理论
应用
§5-8 表面电子态——能带理论
分别以 或 从左边乘上方程,对 z 积分 利用
得到方程
§5-8 表面电子态——能带理论
—— a, b有非零解系数行列式 电子能量
—— 有一个解可以与真空区域的波函数相匹配 —— 在表面内附近很窄的区域中有一个电子态,称为表面态
§5-8 表面电子态——能带理论
§5-8 表面电子态——能带理论
—— 电子在第一布里渊区边界附近的波函数

k
(
z)

b[exp(i

a
z)
V1 V
(

2 1) exp(i
a
z)]ei z
§5-8 表面电子态——能带理论
—— 对于为实数,在z=0的界面上
—— 满足匹配 —— 在半无限长晶体内部的能带保持不变
§4-8 表面电子态
—— 从理想表面模型出发 研究晶体表面对电子能量本征态的影响 假设晶体表面位于 z = 0 处,有
—— 电子在晶体内部的能量 E < V0 —— 在界面z = 0 电子波函数和一阶导数连续
§5-8 表面电子态——能带理论
电子波动方程 z > 0 电子波函数 z < 0 区域 —— 采用近自由电子近似 电子零级波函数
§5-8 表面电子态——能带理论
在z<0,如果为虚数
—— q为正数 设
§5-8 表面电子态——能带理论
—— 根据波函数和波函数一阶微分连续条件,由
确定a/c和q值

4.6 费米面、表面电子态

4.6 费米面、表面电子态

上面的论述, 可以被 X 射线谱的实验结果所证实 阴极射线的打击可以使原子内层电子被 激发从而产生内层空能级, 外层电子填 充这些空能级时, 发射出 X 射线的光子 用 K 表示由于落入空的 1s 态而发射的 X 射线 用 LI、LII 表示由于落入2s 态和 2p 态而发射的 X 射线 图中最上面是钠的价电子 形成的能带, 带底的电子和 具有最高能量 E0 的电子, 发射的光子能量显然不同
u r r 动量值 p F = hk F 为费米动量 u r r pF vF = 为费米速度 m
这些量的数值依赖于电子密度
通常引入自由电子球半径 rs , 定义为
V 1 4 3 = = π rs N n 3
3 rs = 4π n
1/ 3
o h2 −8 并把氢原子基态玻尔半径 a0 = 2 = 0.529 ×10 cm = 0.529 A me
首先讨论一维情况, 需要分别在 z < 0 和 z > 0 的区域 求解波动方程
h2 d 2 − 2m dz 2 + V ( z ) ψ ( z ) = Eψ ( z )
然后在 z=0 使两部分的解相匹配, 即波函数本身和一 级微商连续 z > 0 区域的解是明显的, 相当于电子进入位垒, 波函数指数衰减有 衰减系数 ψ = α e −α z 2m
EF 3/ 2 r E2 ( k 0 )

r E − E2 (k 0 )dE
EF
化简得到
r m1 [ E1 (0) − EF ] = m2 EF − E2 (k 0 )
因此
r m1 E1 (0) + m2 E2 (k 0 ) EF = m1 + m2

Lecture3 表面电子态上课讲义

Lecture3 表面电子态上课讲义
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:
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.

表面电子输运

表面电子输运

要使电子从金属中逸出,必须由外界给它以足够 的能量 ∴金属内部的电子是在一个势井中运动。 金属功函数定义:
Wm E0 EF m
E0: 表示真空中静止电子的能量 表示:一个起始能量等于费米能级的电子,由金 属内部逸出到真空中所需要的最小能量!
功函数的大小标志:
电子在金属中束缚的强弱,Wm ↑ ,电子越不容易 离开金属!
自由载流子 :当含有多余空穴或电子的杂质物质时, 载流子:晶体中荷载电流(或传导电流)的粒子。 就会打破原纯净物质的系统平衡,多余 金属中为电子,半导体中有两种载流子即 的电子或空穴就会在系统内移动,这些 电子和空穴。 多余的电子或空穴就是自由载流子。
对于纯净物质是没有多余的电子或空穴,所以不存在 自由载流子!


四、金属与半导体的接触
金属:
在0K时,金属中的电子填满了费米能级EF以下的所 有能级,而高于EF的能级则全部是空着的。
在一定温度下,只有EF 附近的少数电子受到热激发, 由低于EF的能级跃迁到高于EF的能级上去,但是绝大 部分电子仍不能脱离金属而逸出体外。
这说明金属中的电子虽然能在金属中自由运动,但绝 大多数所处的能级< 体外能级。
表面电子 输运过程
表面电导 表面复合
表面态电导 表面空间电荷层电导
表面空间电荷层:在金属中,自由电子密度 很高,表面电荷基本上分布在一个原子层厚 度范围内,与金属相比,由于半导体载流子 密度要低的多,电荷必须分布在一定厚度的 表面层内,这个带电的表面层为表面空间电 荷层。
导带
表面电导:表面区范围内的电导 — 平行于表面的某 价带 一方向加上一处电场,表面空间电荷层 间的载流子作定向运动 产 生:表面经光照或注入等外界作用,价电子激 发至导带的过程

高二物理竞赛表面态PPT(课件)

高二物理竞赛表面态PPT(课件)

dQs dVs
MIS结构的等效电路
1 C
11 C0 Cs
(1)VG<0
绝对值较大时,C=C0,AB段(半导体看成导通)
绝对值较小时,随V增加而减小,BC段
MIS结构C-V曲线
(2)VG=0 CFB
(3)VG>0
耗尽状态:VG增加,x d增大,Cs减小,CD段 Vs>2VB时:EF段(低频)
高频时:反型层中电子数量不能随高频信号而变,对电容无贡献,
Ev
在表面态密度大于1013cm-2,则表面处的费米能级位于禁 带的1/3处(相对于价带顶),这个位置称为巴丁极限。
设一个n型半导体的表面存在表面态。半导体的 费米能级EF 高于表面能级EFS,如果EFS以上存在 受主表面态,则会导致如下效应:
E
χ
Ws
qns
+
EFS
+
+
金属半导体接触前:
qVd
En
+ 电子刚好填满EFS = qΦ0以下的所有表面态时,表面呈电中性
+ 清洁表面 :一个没有杂质吸附和氧化层的实际表面
表面:在垂直表面的方向上破坏了原来三维无限晶格的周期性 理想MIS结构的C-V特性
Ev
Ev
电子刚好填满EFS = qΦ0以下的所有表面态时,表面呈电中性
电子刚好填满E 甚至还有与表面接触过的多种物体留下的痕迹。
Ev 不存在表面态时,
Ws = c + En
存在表面态时,Ws由表面性质决定
Ws c qVD En
c EF EFS En c Eg EFS
E
E
E
χ
Ws
能带弯曲量 qVD=EF - EFS

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
• 近几十年来,对表面与界面的研究发展得非常迅速。其原因之一是现代技术 科学的迫切需要。二是固体物理学的发展和成熟为深入研究表面性质作了必 要的理论准备。三是现代科学技术的迅速发展为表面物理的实验研究提供了 强有力的测量手段,有可能精确地直接获取各种表面信息,有条件从原子、 分子水平去认识表面现象。由于电测技术、超高真空技术及与之相关的表面 制备技术的迅速发展,各种能谱仪、质谱仪、衍射仪和显微技术,如低能电 子衍射(LEED)、原子量级分辨的扫描隧道显微镜(STM)、光电子谱 (XPS)、离子中和谱(INS)、分子束外延(MBE)等等为表面研究提供了 良好的实验条件。理论和实验的密切配合将会使人们对表面的认识继续扩展 和深化,很多疑问将会得到解决,同时也会推动其它学科的发展。
2020/10/3
格林函数法
• 关于用格林函数方法来讨论表面电子结构的问题,早期的工作都是用 简化的晶体模型。这里介绍Pollman和Pantelides的方法。它是由利用 格林函数讨论深能级的方法借鉴过来的。Pollman等人认为,半导体表 面的形成可以这样考虑:将一块三维理想晶体沿某个晶面抽去1层或2 层晶面所包含的原子,即相当于形成一个面空位。如果限于最近邻或 次近邻,这样的一个面空位便将晶体切成两个互不相关的部分,即相 当于两块独立的、具有表面的晶体。此时求表面态能级和波函数的问 题可以和讨论短程势缺陷的缺陷态能级和波函数的问题联系起来。
晶体占有的半无限空间Ⅰ,寻找满足晶体势V(x)的薛定谔方程的
• 解 边界条Ⅰ件,为在交真界空处的半Ⅰ无和限空Ⅱ的间值Ⅱ和,微寻商找值常相数等势。V0由的此薛定定出谔能方量程和的波解函Ⅱ
数。由于是在半无限空间,若将k分解成平行和垂直于表面的两部分, 即k=k//+kz,kz可以是复数波矢,相当于晶体体内衰减解。
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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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