Физика поверхности кристаллов

V курс, X семестр

Лектор — профессор Образцов Александр Николаевич

Лекций: 32 часа, практических занятий: 4 часа.

Физические свойства поверхности имеют важное значение для понимания процессов, происходящих в кристаллических материалах. Эта роль становится определяющей для наноматериалов, структурные элементы которых имеют нанометровый размер. В настоящее время интерес к изучению физики поверхности кристаллов существенно возрастает в связи с развитием наук о наноматериалах, нанотехнологиях, наносистемах и наноустройствах. В лекционном курсе содержатся базовые знания о кристаллографическом описании поверхности, методах изучения, различных физических эффектов, связанных с поверхностью кристаллов. В рамках курса студенты познакомятся с современными методами исследования поверхности и научными представлениями о физических явлениях, связанных с поверхностью кристаллических тел.

Материалы курса

Материалы лекций доступны только пользователям кафедры после авторизации.

Структура курса

Тема 1, 1-2 неделя

Основы двумерной кристаллографии. Двумерные решетки; индексы плоскостей и направлений в кристаллах; описание структуры поверхности кристалла; двумерная обратная решетка; зона Бриллюэна для поверхности.

Тема 2, 3-4 неделя

Экспериментальная техника исследования поверхности кристаллов. Вакуум - основные понятия, основы вакуумной техники; приготовление материалов для исследования поверхности - скол в вакууме, химическая обработка, ионная чистка, напыление в вакууме.

Тема 3, 5 неделя

Дифракционные методы анализа поверхности кристаллов. Дифракция медленных электронов; дифракция быстрых электронов; рентгеновская дифракция; другие дифракционные методы.

Тема 4, 6-7 неделя

Электронная спектроскопия поверхности. Взаимодействие электронов с поверхностью; оже-спектроскопия; спектроскопия характеристических потерь; фотоэлектронная спектроскопия.

Тема 5, 8 неделя

Ионные методы исследования поверхности. Взаимодействие ионов с поверхностью; спектроскопия рассеяния медленных ионов; спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния.

Тема 6, 9-10 неделя

Методы микроскопии при исследовании поверхности криситаллов. Полевая эмиссионная микроскопия; полевая ионная микроскопия; электронная микроскопия; зондовая микроскопия.

Тема 7, 11 неделя

Атомная структура чистых поверхностей. Релаксация и реконструкция на поверхности кристалла; поверхности некоторых кристаллов.

Тема 8, 12-13 неделя

Атомная структура поверхности с адсорбатами. Поверхностные фазы в субмонослойных системах; состав поверхностной фазы; фазовая диаграмма; поверхности кристаллов с адсорбатами.

Тема 9, 14 неделя

Структурные дефекты поверхности. Точечные дефекты; ступени; сингулярные и винициальные поверхности; фасетки; примеры.

Тема 10, 15 неделя

Электронные свойства поверхности. Поверхностные состояния; работа выхода; поверхностная проводимость.

Тема 11, 16 неделя

Рост тонких пленок. Механизмы роста; кинетические эффекты; методы роста.

Вопросы для экзамена/зачета по курсу «Физика углеродных материалов»

1. Особенности описания кристаллической структуры поверхности
2. Ячейка Вигнера-Зейтца
3. Решетки Бравэ для поверхности кристалла
4. Описание низко-индексных поверхностей кристалла
5. Описание высокоиндексных поверхностей кристалла
6. Сверхструктуры и их обозначение
7. Обратная решетка и зона Бриллюэна
8. Влияние окружающей среды на состояние поверхности кристалла
9. Физическая и химическая адсорбция
10. Производительность вакуумного насоса, скорость откачки и проводимость вакуумных элементов
11. Уравнение откачки для вакуумной установки
12. Принцип работы форвакуумных механических насосов
13. Принцип работы криосорбционного насоса
14. Принцип работы паромасляного насоса
15. Принцип работы сублимационного насоса
16. Принцип работы ионизационного насоса
17. Принцип работы турбомолекулярного насоса
18. Принцип работы манометров и баратронов
19. Термопарные измерительные лампы и лампы Пирани
20. Принцип работы ионизационной вакуумной лампы
21. Общие принципы подготовки образцов для исследования поверхности кристаллов
22. Метод ионного травления
23. Метод вакуумного напыления
24. Принцип работы кварцевых весов
25. Особенности дифракции на двумерной решетке
26. Построение Эвальда для двумерной решетки
27. Принцип метода дифракции медленных электронов
28. Принцип метода дифракции быстрых электронов
29. Принцип метода фотоэлектронной спектроскопии
30. Сходства и различия УФЭС и РФЭС
31. Формула Резерфорда (описать физический смысл величин)
32. Понятия конуса затенения, эффекта фокусировки и конуса блокировки при ионном рассеянии
33. Эффект каналирования при рассеянии ионов кристаллами
34. Кинетическая и потенциальная эмиссия электронов
35. Критический угол при рассеянии ионов на поверхности кристалла
36. Резерфордовское обратное рассеяние
37. Источники и анализаторы ионов
38. Релаксация и реконструкция поверхности кристалла
39. Суперструктуры на поверхности кристаллов
40. Типы структурных дефектов на поверхности кристалла
41. Построение Вульфа
42. Поверхностные электронные состояния
43. Поверхностная проводимость
44. Изгиб зон на поверхности
45. Область пространственного заряда
46. Особенности транспорта электронов в тонких пленках и поликристаллических материалах
47. Эффект Холла
48. Квантовый эффект Холла, уровни Ландау
49. Эффект Шубникова - де Гааза

Список рекомендованной литературы

1. К. Оура, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин, А.В. Зотов, М. Катаяма, «Введение в физику поверхности», Издательство «Наука», Москва, 2006.
2. В.Ф. Киселев, С.Н. Козлов, А.В. Зотеев, «Основы физики поверхности твердого тела», Издательство МГУ, 1999.
3. Э.Р. Кларк, К.Н. Эберхардт «Микроскопические методы исследования материалов», Издательсво Техносфера, Москва, 2007.
4. В.Ф. Киселев «Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках». Издательство «Наука», Москва, 1970.
5. Л. Фелдман, Д. Майер, «Основы анализа поверхности и тонких пленок», Издательство «Мир», Москва, 1989.
6. Г.Я. Красников, В.П. Бокарев, Энергия поверхности и огранка кристаллов полупроводников и других материалов, ДАН, (2002), 382, 225-229.
7. А.Я. Беленький, Электронные поверхностные состояния в кристаллах, УФН, (1981) 134, 125-147.
8. P.M. Marcus, X. Qian, W. Hubner, Properties of the surface region of a metal crystal, J. Phys.: Condens. Matter (2001) 13, 3977-3985
9. H.M. Saavedra, Th.J. Mullen, P. Zhang, D.C. Dewey, S.A. Claridge, P.S. Weiss, Hybrid strategies in nanolithography, Rep. Prog. Phys. (2010), 73, 036501.