ساختارهای سطحی و حالات آن‌ها در فضای واقعی

سطح شناسان سال‌ها كوشیده‌اند تا اثر متقابل میان ساختار هندسی و ساختار الكترونیكی سطح را دریابند. این دو موضوع معمولاً در آزمایش‌های جداگانه مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و آن وقت ارتباط نظری میان آن‌ها برقرار شده است. در این مطالعات، اطلاعات تجربی روی سطح كاوه آزمایش، متوسط گیری می‌شود و نظریه مكانیك كوانتومی برای فراهم آوردن دركی در سطح اتمی به كار گرفته می‌شود. در یك رشته از آزمایش‌ها بر روی سطوح سیلسیوم، برای نخستین بار از میكروسكوپی تونلی روبشی (STM) به منظور پل زدن بر روی شكاف میان ساختار هندسی و ساختار الكترونیكی، با تفكیك اتمی، استفاده شده است.
تصویرهای STM كه از اعمال ولتاژهای مختلف میان نوك و نمونه مورد آزمایش حاصل می‌شوند عموماً متفاوت‌اند، زیرا تنها تابع موج‌هایی كه انرژی‌های آن‌ها بین ترازهای فرمی نوك و نمونه است در فرآیند تونل زدن سهیم‌اند. هنگام افزایش اختلاف ولتاژ، هر بار یك حالت كوانتومی جدید شروع به مشاركت در فرآیند تونل زنی می‌كند و رسانندگی تونل زنی به طور پله‌ای افزایش می‌یابد (به شرط آنكه فاصله نمونه – نوك ثابت نگه داشته شود). به این ترتیب، انرژی‌هایی را كه به ازای آن‌ها حالت‌های سطحی رخ می‌دهند را می‌توان با اندازه‌گیری منحنی‌های مشخصه جریان – ولتاژ (V-I) تعیین كرد. برای ایجاد تصویرهای دوبعدی حالت‌های سطحی، روش جدیدی به نام طیف نمایی تونل زنی با نقش جریان (CITS) ، به منظور جداكردن اطلاعات طیف نمودی از سایر اطلاعات، به ویژه مشخصات هندسی سطح، ابداع كرده‌ایم. این روش جدید چند مسئله مبتلا به پژوهشگرانی را كه سعی در تصویرسازی از ساختار الكترونیكی سطح داشتند، حل كرده است.
مسئله اصلی، جداكردن اطلاعات مربوط به ساختار هندسی از اطلاعات الكترونیكی در تصویرهای STM است. در یك مدل معین تصویر هندسی خالص را می‌توان با برهم‌نهی چگالی‌های بار اتمی، كه در آن‌ها حالت‌های سطحی در نظر گرفته نشده‌اند، به آسانی محاسبه كرد. سطح‌های با چگالی بار ثابت در محل نوك چیزی را آشكار می‌كنند كه باید در غیاب حالت‌های سطحی، تصویر STM به آن شبیه می‌بود.
با آزمایش معلوم شده است كه در شرایط پیش ولت مناسب، نوك به خوبی این پربندهای هندسی خالص را دنبال می‌كند. با روش CITS، در حالی كه نوك مستقلاً پربند هندسه را دنبال می‌كند، می‌توانیم منحنی‌های كامل V-I را در هر تقسیم بندی كوچك تصویر STM، اندازه بگیریم. به این ترتیب، تغییرات جریان تونلی بر حسب موضع جانبی، مستقیماً اختلاف‌های موجود در ساختار الكترونیكی سطح را ظاهر می‌سازد با این روش ما موفق شده‌ایم نخستین تصویرهای حالت‌های سطحی پر و خالی سطح‌های 7×7 سیلسیوم و 1×2 سیلسیوم را كه از لحاظ فضایی و انرژی در مقیاس اتمی تفكیك شده‌اند، به دست بیاوریم.
حالت‌های سطحی مشاهده شده با نتایج حاصل از آزمایش‌های فوتوگسیلش و فوتوگسیلش وارون كاملاً سازگارند. به علاوه ما توانسته‌ایم این حالت‌های سطحی را مستقیماً با خصوصیات اتمی ویژه در ساختار سطح مرتبط كنیم. به این ترتیب، یك حالت سطحی پر نزدیك به تراز فرمی، وابسته به اوربیتال‌های پیوند آویزان 12 اتم جذب شده بر روی سطح را در یاخته واحد (7×7) سیلسیوم (111) مشاهده كرده‌ایم علاوه بر آن، 7 اوربیتال با انرژی eV8ر0 پایین‌تر از تراز فرمی، وابسته به پیوندهای شكسته، بر روی اتم‌های سیلسیوم با هم آرایی سه لا (موسوم به اتم‌های سكون) در لایه‌های سطحی زمینه پیدا كرده‌ایم. محل این حالت‌ها بیشتر مربوط به خصوصیات اتمی مدلی است كه تاكایاناگی و دیگران پیشنهاد كرده‌اند. كارهای نظری جدیدی كه نورتروپ روی زیر واحدهای (7×7) یاخته انجام داده است با این نتایج به خوبی سازگارند. محل حالت‌های اتم‌های سكون گواه فضای حقیقی مستقیمی است بر حضور گسستگی روی هم چینی در لایه دوگانه، درست در زیر اتم‌های جذب شده بر روی سطح در نیمی از یاخته واحد.
سطح (1×2) سیلسیوم (001) با تشكیل پیوندهای دو پاری میان اتم‌های سطحی مجاور بازسازی می‌شود و در نتیجه تعداد پیوندهای شكسته به نصف كاهش می‌یابد. ما حالت پیوندی جا گرفته بر روی و میان اتم‌های دوپار و اوربیتال‌های پاد پیوندی جا گرفته بر روی سرهای بیرونی دوپارها را مشاهده كرده‌ایم. بعضی از دوپاره‌ها خم شده‌اند. در این دوپاره‌ها، ما دریافتیم كه حالت پیوندی شدیداً در طرف بالای دوپار و حالت پاد پیوندی در طرف پایین دوپار متمركز شده است. این جدایی فضایی قابل ملاحظه اوربیتال‌های پیوندی و پاد پیوندی دلیل محكمی بر انتقال بار از اتم پایین به اتم بالاست. امكان این انتقال بار مرتبط با خمیدگی، سال‌ها مورد مناقشه بوده است و گاف نوار مشخص حالت سطحی را توضیح می‌دهد. یافته‌های تجربی ما با كارهای نظریی كه آیم و دیگران انجام داده‌اند كاملاً سازگار است.
علاوه بر خصوصیات الكترونیكی مربوط به ساختار سطحی منظم، حالت‌های الكترونی جایگزیده گوناگون كه در اثر كاستی‌های ساختاری با مقیاس اتمی ایجاد شده‌اند را نیز مشاهده كرده‌ایم. مطالعه این كاستی‌ها برای درك بهتر بسیاری پدیده‌های فیزیكی، كه كاستی در آن‌ها نقش غالب را دارد، نظیر تشكیل سد شوتكی، سیمی سطح (پله‌ها ، پیچ‌ها) و شكست دی الكتریك اكسیدی، اهمیت دارد. مهمتر از همه آنكه اكنون می‌توانیم همزمان ساختار هندسی و ساختار الكترونیكی سطح را در مقیاس اتمی مطالعه كنیم.