Физические основы твердотельной электроники. Часть 2

Проблемы поверхности вызывают сегодня, пожалуй, наибольший интерес у физиков. И не только научный интерес, но и самые разнообразные эмоции.

Например, знаменитый теоретик Вольфганг Паули однажды раздраженно воскликнул: «Поверхность создана дьяволом!».

Другой великий физик, Энрико Ферми, выразил скорее сожаление, чем гнев: «Поверхности очень интересны, но ведь их так мало...» По-видимому, Ферми имел в виду, во-первых, то, что поверхность занимает лишь очень малую часть массивного тела, и, во-вторых, что ее почти невозможно получить в чистом виде, необходимом для изучения средствами экспериментальной физики.

Поэтому традиционно поверхности твердых тел исследовались химическими методами, и физики подключились к этой проблеме сравнительно недавно – примерно в середине 60-х годов. Как и можно было предположить, у физиков возник свой взгляд на поверхность. Они стремятся понять, как на ней расположены атомы и как ведут себя поверхностные электроны. Ответы на эти вопросы дает изучение атомарно-чистых поверхностей, которые «живут» только в сверхвысоком вакууме и которые раскрывают неповторимую индивидуальность «поверхностного вещества».

Когда в 1949 году был создан первый транзистор, физика твердого тела стала необходимым технологическим инструментом. Твердотельные приборы не только радикально изменили электронику, но и привели к качественным сдвигам в человеческом обществе – к технологической революции. Она, по-видимому, началась с того, что специалисты стали задумываться, как уменьшить размеры транзисторов и сделать сложные электронные устройства, такие, как ЭВМ, более компактными. Сегодня с помощью изощренных технологических приемов на одном квадратном миллиметре кремниевого кристалла формируется несколько миллионов элементов – транзисторов, конденсаторов, сопротивлений. Иными словами, размеры отдельных элементов стали порядка нанометров. Новейшая технология перешла на нано уровень.

И вот тогда на передний план выдвинулись проблемы физики поверхности. По мере того, как кремниевая пластинка – «чип», который служит основным элементом современных ЭВМ, становился все миниатюрнее, отношение его поверхности к объему быстро возрастало. Поэтому поверхность чипа, а не его объем стала играть определяющую роль и при выполнении им логических функций, и при взаимодействии с другими элементами.

Уже одной этой технологической причины было бы достаточно для специальных исследований поверхности твердых тел. Но для многих ученых поверхность представляет интерес и с точки зрения фундаментальной физики. Дело в том, что атомы поверхностных слоев твердого тела находятся в особых условиях по сравнению с атомами внутри него, как говорят, в объеме. Эти особые условия связаны с нарушением в одном из направлений строгой периодичности кристаллической решетки, с обрывом трансляционной симметрии кристалла. Электроны, движущиеся вблизи поверхности, «чувствуют» этот обрыв, и поэтому поведение электронов на поверхности твердого тела совсем не такое, как в его объеме. С точки зрения электронных свойств приповерхностная область твердого тела, его «оболочка» – это особое состояние вещества. Атомная же структура кристалла, то есть расположение и свойства его решеточных слоев, вблизи поверхности тоже совершенно иное, чем в объеме. По существу, поверхность твердого тела и его «внутренность» – две разные формы одного и того же вещества. Поэтому физика поверхности стала новой областью науки о строении вещества в конденсированном состоянии.

С чисто физической точки зрения изучение поверхности представляется принципиально важным. Поверхность – двумерная система, и не только ее структура, но и многие явления выглядят на ней совсем не так, как в объеме. Имеются и такие, для которых вообще не существует трехмерных аналогов, например, квантовый эффект Холла, вызвавший исключительный интерес со стороны как «чистой», так и прикладной физики. За открытие этого эффекта западногерманскому физику-экспериментатору Клаусу фон Клитцингу была присуждена Нобелевская премия 1985 года по физике. Это еще одно подтверждение того, что физика поверхности заняла одно из центральных мест в физике конденсированных сред.