Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАРЯДА С
ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И В СЛОИСТЫХ СИСТЕМАХ...... 10
Обзор литературы 10
Кулоновская функция Грина несимметричной трехслойной системы сред с пространственной дисперсией. 20
Взаимодействие заряда с полуограниченным металлом...26
Электростатическая энергия заряда у поверхности полупроводника 35
Заряд у поверхности металла с диэлектрическим или металлическим покрытием ив трехслойных сие темах.... 39
Выводы 4-8
2. ЭКРАНИРОВАННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯДОВ ВБЛИЗИ
ГРАНИЦ РАЗДЕЛА СРЕД 50
Обзор литературы 50
Взаимодействие зарядов у поверхности металла 56
' 2.3. Взаимодействие между зарядами на поверхности
металла с металлическим или диэлектрическим
покрытием 68
2.4. Кулоновское взаимодействие в тонких полупроводни
ковых и металлических пленках 76
а) Полупроводниковые (диэлектрические) пленки 76
б) Металлические (полуметаллические) пленки 79
Кулоновское взаимодействие зарядов через диэлектрический барьер 84
Взаимодействие зарядов на поверхности полупроводника 87
2.7. Выводы 90
3.'СИЛЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ И СПЕКТР ЭЛЕКТРОНОВ НАД
ПОВЕРХНОСТЬЮ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ 94-
Обзор литературы. 94-
Потенциал сил изображения вблизи
поверхности жидкого гелия 99
3.3. Сдвиг уровней поверхностных электронных состояний
за счет эффектов пространственной дисперсии 101
ЗЛ. Взаимодействие электронов с поверхностными
волнами 105
3.5. Силы изображения и спектр электронов над
пленкой жидкого гелия 107
3.6. Влияние прижимающего поля на спектр электронов
над пленкой гелия ИЗ
3.7. Взаимодействие электронов над тонкой пленкой
жидкого гелия 120
3.8. Силы изображения в расслоившемся растворе
Не3 - Не^ 122
3.9. Выводы 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 128
ЛИТЕРАТУРА 131
Введение к работе
В настоящее время большой интерес для физики твердого тела и физической электроники представляют исследования явлений, протекающих в неоднородных слоистых системах, состоящих из сред с разными свойствами, в частности, с разными диэлектрическими проницаемостями. Это искусственно создаваемые системы типа "сэндвич", МДП-структуры и полупроводниковые периодические структуры, которые являются актуальными объектами исследования физики полупроводников. Наряду с изучением слоистых структур большое внимание в последние годы уделяется исследованию поверхностных свойств полупроводников и диэлектриков, а также явлений, возникающих на границе раздела между металлами и неметаллическими покрытиями.
Особенно бурное развитие переживает сейчас физика поверхности. В связи с совершенствованием экспериментальных методов исследования поверхности (дифракция медленных электронов, Оже-и фотоэлектронная спектроскопия и др.) накоплен обширный экспериментальный материал по физике и химии адсорбции, эмиссионной электронике и др. Однако имеющаяся экспериментальная информация не получила полного теоретического объяснения. Некоторые явления, происходящие как на чистой поверхности твердых тел, так и на поверхности, покрытой тонкими пленками металлов, полупроводников, диэлектриков (окислов), не поняты даже на качественном уровне.
В 1969-1970 гг. было предсказано теоретически, а вскоре подтверждено экспериментально существование двумерных локализованных электронных состояний над поверхностью жидкого гелия. Исследования таких локализованных состояний (они обнаружены
также над поверхностью жидкого Не; над жидким водородом, твердым неоном и водородом, над пленкой жидкого гелия на металлической подложке) интенсивно продолжаются в настоящее время» Изучению взаимодействия электронов, их энергетического спектра вблизи границы раздела жидкость - пар посвящен целый ряд теоретических работ, которые однако не полностью объясняют все наблюдаемые экспериментально явления.
Таким образом, теоретические исследования механизма взаимодействия заряженных частиц вблизи границ раздела сред, а также вблизи поверхности конденсированных тел, которым посвящена данная диссертационная работа, являются актуальными и представляют несомненный практический интерес при решении многих вопросов эмиссионной электроники, вакуумной технологии, полупроводниковой техники, физики и химии адсорбции, катализа, электролиза и проблемы борьбы с окислением металлов (коррозии).
Цель настоящей работы состоит в исследовании механизма электростатического экранированного взаимодействия зарядов в неоднородных слоистых МДП-структурах, у границ раздела сред с разными диэлектрическими проницаемостями, вблизи поверхности твердых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков) с учетом . эффектов пространственной дисперсии, а также в изучении спектра локализованных двумерных электронов над поверхностью жидкого гелия и над пленкой жидкого гелия на металлической (диэлектрической )подложке в прижимающем электрическом поле.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения.
В первой главе кратко изложен метод диэлектрического формализма, основанный на вычислении функции Грина продольного (кулоновского) поля в несимметричной трехслойной системе сред
- б -
с пространственной дисперсией. Получено пространственное распределение электростатического потенциала сил изображения вблизи поверхности металла с учетом эффектов экранировки как свободными электронами, так и связанными электронами ионных остовов, проанализировано влияние на потенциал сил изображения обменных и кулоновских корреляций и отличия формы поверхности Ферми (ПФ) от сферической. Исследована электростатическая энергия заряда у поверхности полупроводника и в трехслойных несимметричных системах сред с пространственной дисперсией.
Показано, что учет эффектов пространственной дисперсии контактирующих сред приводит к конечному и непрерывному значению потенциала сил изображения на границе раздела сред с разными диэлектрическими проницаемостями.
Во второй главе подробно исследован вопрос об электростатическом экранированном взаимодействии двух точечных зарядов, находящихся в вакууме у поверхности металла и полупроводника, а также рассмотрено взаимодействие зарядов в тонких полупроводниковых (полуметаллических) пленках. Показано, что электростатический потенциал взаимодействия точечных зарядов, находящихся в вакууме у поверхности металла, наряду с диполь-дипольным отталкиванием имеет осциллирующую (знакопеременную) фриделев-скую составляющую, закон убывания которой вдоль металлической поверхности определяется электронным спектром металла-подложки (формой ПФ металла). По мере удаления зарядов от поверхности металла амплитуда фриделевских осцилляции (ФО) экспоненциально убывает.
Третья глава посвящена изучению спектра электронов, локализованных над поверхностью жидкого гелия, над тонкой пленкой гелия на металлической (диэлектрической) подложке в прижимаю-
щем электрическом поле. Исследован потенциал взаимодействия между электронами над пленкой гелиян на металлической подложке, получено распределение электростатического потенциала в расслоившемся растворе Не3-Не^, а также рассмотрена задача о взаимодействии электронов с поверхностными капиллярными волнами (рипплонами).
В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы.
Научная новизна
Исследовано влияние эффектов пространственной дисперсии на потенциал электростатических сил изображения на границе раздела полупроводник (диэлектрик) - вакуум.
С учетом эффектов пространственной дисперсии впервые исследовано влияние формы ПФ на потенциал электростатических сил изображения и экранированное взаимодействие зарядов вблизи поверхности полуограниченного металла.
Исследовано влияние металлического и диэлектрического покрытий на ход электростатического потенциала вблизи поверхности и получено пространственное распределение электростатической энергии заряда в трехслойных МДП-системах. Показано, что наличие диэлектрического или металлического покрытия поверхности твердого тела может существенным образом изменить характер электростатического взаимодействия между точечными зарядами, находящимися в вакууме вблизи поверхности.
4. Рассмотрено взаимодействие зарядов в тонких полупровод
никовых и полуметаллических пленках и показано, что влияние
эффектов пространственной дисперсии, связанных с провисанием электрического поля в окруяающую среду, становится заметным при толщинах пленок, соизмеримых с расстоянием между взаимодейству-
ющеми зарядами.
5, Получено аналитическое выражение для потенциала сил
изображения над поверхностью жидкого гелия с учетом простран
ственной дисперсии его диэлектрической проницаемости и на этой
основе вычислен энергетический спектр электронов, хорошо согла
сующийся с экспериментальными результатами для частот перехо
дов между дискретными уровнями (двумерными подзонами).
6. Впервые получен энергетический спектр электронов над
тонкой пленкой жидкого гелия на металлической(диэлектрической)
подложке и в квазиклассическом приближении исследовано влияние
прижимающего поля на спектр электронов над пленкой гелия.
Защищаемые положения
Показано, что большое влияние на ход потенциала сил изображения и на электростатическое взаимодействие зарядов вблизи поверхности полуограниченного металла оказывает форма его ПФ.
В приближении линейного отклика и резкой границы показано, что учет эффектов пространственной дисперсии контактирующих сред приводит к непрерывности и конечности потенциала сил изображения на границе раздела сред с разными диэлектрическими проницаемостями, что дает возможность, например, получать пространственное распределение электростатического потенциала в трехслойных МДП-структурах. Показано также, что характер электростатического взаимодействия находящихся на поверхности твердых тел точечных зарядов может существенно измениться при нанесении на поверхность тонкого металлического или диэлектрического слоя.
Показано, что при толщинах полупроводниковых и полуметаллических пленок, сравнимых с расстоянием между взаимодейству-
ющими зарядами, существенную роль играют эффекты провисания кулоновского поля во внешнюю среду.
4. Показано, что учет пространственной дисперсний диэлек
трической проницаемости жидкого гелия приводит к конечному зна
чению потенциала сил изображения на границе раздела жидкость -
пар, а вычисленный на его основе спектр локализованных над ге
лием электронов с хорошей точностью совпадает с эксперименталь
ными данными для частот переходов между уровнями.
5. Показано, что для тонкой пленки жидкого гелия на метал
лической (диэлектрической) подложке потенциал сил изображения
определяется, в основном, силами изображения подложки, а полу
ченный в результате решения уравнения Шредингера энергетический
спектр электронов, локализованных над тонкой гелиевой пленкой,
существенно отличается от спектра электронов над поверхностью
глубокой гелиевой ванны. Показано, что спектр электронов над
гелиевой пленкой на металлической подложке и (или) в сильном
прижимающем поле с хорошей точностью может быть вычислен в ква
зиклассическом приближении. Показано также, что электростатичес
кое взаимодействие между электронами над тонкой гелиевой пленкой
на металлической подложке имеет характер диполь-дипольного от
талкивания в отличие от кулоновского взаимодействия, характерно
го для электронов над поверхностью жидкго гелия.
