Физика и химия поверхности - красивая наука о том, как ведут себя атомы в поверхностном слое твердых кристаллов. У таких атомов гораздо меньше соседей, а их химические связи все так же хотят замкнуться на другие атомы. В результате, структура атомов на поверхности заметно отличается от объемной решетки.
В итоге, возможны два варианта разрешения этой нестабильности:
- Поверхностная релаксация - cм. рисунок слева.
Если поверхностным атомам достаточно лишь немного сместиться, чтоб существенно понизить излишнюю поверхностную энергию оборванных связей, то все обходится небольшим изменением периода решетки без перехода к новой трансляционной симметрии. Как правило, наибольшее изменение происходит в направлении перпендикуляра к поверхности, поскольку продольный период все же в этом случае привязан к объему. Однако, атомы могут немного смещаться внутри элементарной ячейки.
Релаксация более характерна для металлических поверхностей, поскольку связь между атомами в металлах делокализована (электроны в металлах ведь бегают по всему объему), и небольшого перераспределения плотности электронов можно достичь, лишь чуть-чуть сдвинув поверхностный слой.
- Поверхностная реконструкция - рисунок справа.
Этот сценарий реализуется в случаях, когда связь между атомами сильно локализована (как правило, ковалентная связь). На поверхности этот оборванный электрон активно пытается найти пару, и в итоге на поверхности могут связываются дальние атомы, отстоящие друг от друга на один или несколько объемных периодов, хотя в объеме эти атомы никогда не образовывали бы химическую связь. В результате, в нескольких поверхностных слоях образуется по сути совершенно другой, почти двумерный кристалл, однако, его периодичность так или иначе кратна исходной решетке. Такой объект и называется поверхностной реконструкцией. Она может быть крайне сложной, содержать димеризацию, дефекты упаковки и дополнительные атомы, как бы адсорбированные к новой структуре - они называются адатомами.
Реконструкция характерна для полупроводников, многокомпонентных соединений (очень часто, оксидов) и некоторых благородных металлов.
👋
В итоге, возможны два варианта разрешения этой нестабильности:
- Поверхностная релаксация - cм. рисунок слева.
Если поверхностным атомам достаточно лишь немного сместиться, чтоб существенно понизить излишнюю поверхностную энергию оборванных связей, то все обходится небольшим изменением периода решетки без перехода к новой трансляционной симметрии. Как правило, наибольшее изменение происходит в направлении перпендикуляра к поверхности, поскольку продольный период все же в этом случае привязан к объему. Однако, атомы могут немного смещаться внутри элементарной ячейки.
Релаксация более характерна для металлических поверхностей, поскольку связь между атомами в металлах делокализована (электроны в металлах ведь бегают по всему объему), и небольшого перераспределения плотности электронов можно достичь, лишь чуть-чуть сдвинув поверхностный слой.
- Поверхностная реконструкция - рисунок справа.
Этот сценарий реализуется в случаях, когда связь между атомами сильно локализована (как правило, ковалентная связь). На поверхности этот оборванный электрон активно пытается найти пару, и в итоге на поверхности могут связываются дальние атомы, отстоящие друг от друга на один или несколько объемных периодов, хотя в объеме эти атомы никогда не образовывали бы химическую связь. В результате, в нескольких поверхностных слоях образуется по сути совершенно другой, почти двумерный кристалл, однако, его периодичность так или иначе кратна исходной решетке. Такой объект и называется поверхностной реконструкцией. Она может быть крайне сложной, содержать димеризацию, дефекты упаковки и дополнительные атомы, как бы адсорбированные к новой структуре - они называются адатомами.
Реконструкция характерна для полупроводников, многокомпонентных соединений (очень часто, оксидов) и некоторых благородных металлов.
👋