Немного истории. Когда возникла физика поверхности, кто ее основоположник?

Когда возникла физика поверхности, кто ее основоположник? На эти вопросы можно отвечать по-разному. Одним из первых ученых, подробно исследовавших свойства поверхностей разрыва между различными телами, был выдающийся американский физик и математик Джозайя Уиллард Гиббс (1839 – 1903). В своей знаменитой работе «О равновесии гетерогенных веществ», ставшей впоследствии основой современной термодинамики, Гиббс впервые рассмотрел поверхность как самостоятельную подсистему, отличную от разделяемых ею термодинамических фаз. Этот поверхностный слой хотя и имеет очень малую толщину, но представляет собой, согласно Гиббсу, вполне определенную «фазу», то есть состояние вещества с присущими ему энергией, энтропией и другими термодинамическими величинами. Такой подход позволил Гиббсу создать макроскопическую теорию поверхностных явлений и количественно объяснить адсорбцию, то есть способность поверхностей поглощать молекулы из окружающей среды.

Дело в том, что поверхность постоянно испытывает многочисленные столкновения с атмосферными атомами и молекулами, которые быстро на нее налипают, образуя что-то вроде неровной корки из чужеродных веществ. Попросту говоря, поверхность неизбежно загрязняется, и грязь маскирует истинные ее свойства. Получение чистой поверхности – это только полдела, другая половина – ее сохранение. В вакууме, соответствующем давлению 10^–6 мм ртутного столба, то есть примерно в миллиард раз ниже атмосферного, требуется всего около секунды, чтобы чистая поверхность покрылась бы слоем чужеродных веществ толщиною в один атом (такую пленку называют монослоем). Чтобы в отношении поверхности можно было задавать содержательные физические вопросы, например, как ведут себя на ней электроны или как располагаются поверхностные атомы, требуется вакуум не хуже, чем 10^–10...10^–11 мм ртутного столба. Достижение и измерение таких низких давлений – нелегкая техническая задача, и поэтому проводить эксперименты с чистыми поверхностями в контролируемых условиях сверхвысокого вакуума стало возможным сравнительно недавно – в конце 60-х годов. А до этого, начиная с классических исследований американского ученого Ирвинга Ленгмюра, выполненных в начале 20-х годов и развивавших идеи Гиббса, изучение поверхностей было одним из разделов физической химии.

Вопросы, которые при этом ставились, относились к поверхности в целом и игнорировали микроскопические детали. Это был чисто термодинамический подход – в терминах поверхностной свободной энергии, углов смачивания и изотерм адсорбции, – а для термодинамики микроскопические физические механизмы несущественны по определению.

Благодаря физико-химическим исследованиям стало известно, как себя ведут конкретные поверхности. Но известно – не значит понятно, и исследователи, зная, как склеивать поверхности, как катализировать химическую реакцию или как вызвать эмиссию электронов, обычно не понимали, что при этом происходит. Возникавшие вопросы «снимались» при помощи эмпирических правил, а наблюдаемые явления не предсказывались, а объяснялись постфактум. Такой «прикладной» подход к физике принято называть феноменологическим.

При феноменологическом изучении поверхности многие проблемы – например, проблема спектра энергий у поверхностных электронов – принципиально не могли быть решены. Более того, они даже не могли быть поставлены. Поэтому иногда в физико-химии поверхности создавалась лишь видимость решения задач: на самом деле они загонялись вглубь. Это привело к тому, что наука о поверхности стала заметно, отставать от технологии и технологии пришлось обходиться без науки. Например, при изготовлении полупроводниковых приборов поверхностные явления долгое время были злейшими врагами технологов, существенно ухудшая работу диодов, транзисторов и первых солнечных элементов. Достаточно сказать, что из-за проблем, связанных с поверхностью, транзисторы не стали широко распространенными серийными приборами до 1954 года. Технологи решали эти проблемы на ощупь по набору инструкций, напоминавших алхимические рецепты: протравите поверхность в одном реактиве, выдержите в другом, вымойте в третьем (при этом желательно не дышать!) – тогда, может быть, она окислится именно так, как нужно. До понимания процессов, происходящих на поверхности, и тем более до управления этими процессами было еще далеко.

Уровень понимания существенно повысился в 70-х годах после освоения техники ультравысокого вакуума – давлений порядка 10^–10...10^–11 мм ртутного столба. К сожалению, поддержание такого вакуума – это необходимое условие однозначности и достоверности физической информации о поверхности. Виновата в этом уже упоминавшаяся адсорбция, которая по-прежнему сильно усложняет экспериментальное изучение поверхности. Именно из-за адсорбции, мешавшей получать чистые образцы, микроскопическая физика поверхности оставалась до конца 60-х годов уделом одних теоретиков. Одним из них был академик Игорь Евгеньевич Тамм.