Книги по разным темам
Pages: | 1 | 2 | Физика твердого тела, 1998, том 40, № 11 Резонансные состояния сплошного спектра ограниченного кристалла вблизи критических точек объемных зон й Г.В. Вольф, Ю.П. Чубурин Физико-технический институт Уральского отделения Российской академии наук, 426001 Ижевск, Россия E-mail: tv@otf.fti.udmurtia.su (Поступила в Редакцию 2 февраля 1998 г.В окончательной редакции 14 мая 1998 г.) Получены условия существования резонансных электронных состояний вблизи критических точек объемных зон. Показано, что резонансы данного типа качественно отличаются от поверхностных резонансов, связанных с состояниями, индуцированными потенциалом изображения. Рассмотрено проявление таких ФобъемныхФ резонансов в рассеянии очень медленных электронов на поверхности TiS2.
Исследование проявления энергетических зон элек- имевшая место в начале 80-х годов [10Ц12]. В ретронов неограниченного кристалла в сплошном спек- зультате сформировалась точка зрения о ведущей ротре полубесконечного кристалла важно во-первых, в ли интерференционных процессов и пренебрежимо маобщетеоретическом плане, с точки зрения выяснения лом вкладе поверхностных резонансов в ФпороговыйФ ФустройстваФ состояний сплошного спектра ограничен- эффект.
ного кристалла, которое во многих отношениях силь- Распространение этого взгляда на все ситуации элекно отличается от часто используемых представлений тронного рассеяния поверхностью кристалла не оправмодели свободных электронов [1Ц4]; во-вторых, из-за дано ни теоретически [2Ц4,10], ни экспериментально.
непосредственного вовлечения состояний такого типа в Последнее демонстрируется недавними исследованиями процессы электронного рассеяния (дифракция медлен- поверхностных состояний методом спектроскопии поляных электронов (ДМЭ)) или фотоэлектронной эмиссии, ризованных электронов [13] или работой [14], где вперэта информация необходима для правильной интерпре- вые наблюдались селективная адсорбция и десорбция тации экспериментальных данных. В частности, экстре- низкоэнергетических электронов при рассеянии поверхмумы объемных зон, попадающие в область энергий ностью кристалла и было ясно показано, что захват сплошного спектра, ответственны за пики эффективэлектронов в квазистационарные состояния ридберговного сечения фотопереходов из поверхностных состоя- ского типа действительно имеет место и отвечает за ний [5]. Положение критических точек объемного закона наблюдаемый эффект.
дисперсии электронов отчетливо коррелирует с тонкой В данной работе исследованы условия возникновения структурой энергетической зависимости коэффициента и характер долгоживущих резонансов вблизи критичеотражения очень медленных электронов от поверхноских точек объемных зон.
сти кристалла [1,6]. В последнее время это обстоятельство успешно используется для экспериментального 1. Модель определения конечных состояний процесса фотоэмиссии.
В комбинации с фотоэлектронной спектроскопией это Из соображений удобства математического описания открывает возможность надежного экспериментального рассмотрим два полубесконечных кристалла (ПбК), расвосстановления энергетических зон в прифермиевской положенных при z -L/2 и z L/2. Величина области [7].
вакуумного промежутка L предполагается макроскопичеИсточником связи состояний сплошного спектра ограниченного кристалла с состояниями бесконечно- ски большой, исключающей взаимодействие кристаллов го кристалла является асимптотическое поведение вол- друг с другом. Если источник электронов находится новой функции рассеивающегося электрона в глуби- вблизи правого ПбК (z L/2), то за время наблюдения не кристалла, или на языке динамической теории ди- t < 2L/|Vz|, где Vz Ч перпендикулярная поверхности фракции связь между матрицей перехода и матри- компонента скорости отраженных электронов, левый цей ФсшивкиФ [8]. Известна принципиальная воз- кристалл не вносит вклада в результаты измерений, можность сильного влияния квазистационарных (резо- и волновой пакет рассеивающегося электрона в раснансных) состояний на амплитуду рассеяния и вол- сматриваемой системе совпадает с волновым пакетом, отвечающим единственному ПбК, занимающему полуновые функции сплошного спектра [3,9]. Однако их пространство z L/2.
проявление в конкретной физической ситуации далеко не всегда ясно. Примером служит дискуссия о ро- Квазистационарные состояния удовлетворяют уравнели поверхностных резонансов в формировании тон- нию ЛиппманаЦШвингера с комплексной энергией E, кой структуры ДМЭ вблизи дифракционных порогов, не содержащему падающей волны [9]. В элементарной 2004 Г.В. Вольф, Ю.П. Чубурин ячейке ПбК имеем мильтонианом () = -+V()(r), (r; k, E) =- Gk(r, r ; E)[V+(r )+V-(r )](r ; k, E)dr, а =B -v > 0. Функция (r + Rn; k, E) =exp(ikRn)(r; k, E), (1) () W (r; B, v) = V (r) +i(B -v) (z - L/2) где k Ч двумерный приведенный квазиимпульс, Rn Ч вектор трансляции решетки Браве ПбК, Gk(r, r ; E) Ч - (z + L/2) + U+(u, z) +U-(u, z) (5) блоховская по переменной u =(x, y) функция Грина для свободных электронов, обращается в нуль при достаточно больших |z|.
Таким образом, если существует решение уравнения i ei E-(k-g)2|z-z | Gk(r, r ; E) = ei(k+g)(u-u ), (2) 2S E - (k - g)g 1 + ()(E - i)W (r) k(r, E) =0, (6) k S Ч площадь сечения ячейки плоскостью поверхности то существует и решение уравнения (1).
кристалла, g Ч двумерный вектор обратной решетки Рассмотрим условия существования нетривиального ПбК, V+(-)(r) Ч потенциал правого (левого) ПбК.
решения уравнения (6). В критической точке n-й зоРешения (1) с нулевым и ненулевым V-, конечно, ны неограниченного кристалла E(Kc)/kz = 0, где ( не совпадают. Эквивалентны лишь в указанном выше Kc =(k, kzc)), а En(k, kz) Ч объемный закон дисперсии смысле волновые пакеты состояний рассеяния, соответэлектронов. Тогда в окрестности Kc функция Грина ствующие двум постановкам задач. С учетом поглощения бесконечного кристалла представима в виде [16] в вакуумной области, всегда присутствующего в реальных экспериментах и учитываемого далее введением idn(Kc, r)n(Kc, r ) (1) G()(r, r ; k, kz, E - i) = (1) (c) соответствующего оптического потенциала, для макро(kz - kz )2En(Kc)/kz скопически больших L ограничение на время измерения (1) фактически отсутствует.
+ G(r, r ; k, kz, E - i), (7) Потенциал ПбК представим в виде где d Ч межплоскостное расстояние ПбК, n Чвол(1) V(r) =[V()(r) +iB](z - L/2) новые функции бесконечного кристалла, а kz Чтакое решение уравнения + iv(z + L/2) +U(u, L/2z), (3) En(k, kz) =E-i, (8) () где (x) Ч функция Хевисайда, V (r) Ч потенциал неограниченного кристалла, B,(v) > 0 Ч мнимая (1) для которого Im(En(k, kz (E, ))/kz) < 0, что обесчасть оптического потенциала [15], описывающая попечивает ФправильнуюФ (растущую) [9,16,17] асимптоглощение в объемной (вакуумной) области, v B;
тику квазистационарных состояний при |z| ;
U(u, L/2 z) Ч функция поверхностной экранировки, ( G(r, r ; k, kz1), E - i) Ч некоторая аналитическая функравная нулю на достаточно большом расстоянии от по(1) ция kz.
верхности кристалла. Вещественную часть оптического Используя (7), запишем уравнение (6) для функции потенциала считаем включенной в V() и U.
F(r; k, E) |W(r)|k(r, E):
( 2. Условие существования резонансов F(r; k, E) = K(k, kz1)(E, )F(r; k, E)) вблизи критических точек idn(r, Kc) |W (r)| объемных зон + (1) ( (kz (E, ) -kzc))2En(Kc)/kz Из уравнения (1) следует, что n (r, Kc) W(r )F(r ; k, E)dr, (9) 1 + k(E)(V+ + V-) -(1) k(E)() (E - i) 1 + ()(E - i)W, (4) k k где K Ч интегральный оператор с аналитическим по kz (1) ядром |W(r)|G(r, r ; k, kz, (E -i)) W(r ), обращаюгде k, () Ч гриновские операторы свободного щимся в силу (5) в нуль при достаточно больших |z| и k электрона и электрона в бесконечном кристалле с га- |z |. В этих условиях ограниченный обратный оператор Физика твердого тела, 1998, том 40, № Резонансные состояния сплошного спектра ограниченного кристалла... (1-K)-1 существует [18], и уравнение (9) преобразуется к виду ( n(k, kz1)(E, )) ( ( kz1)(E, ) -kzc) =, (10) 1/22E(Kc)/kz где id (1) n(k, kz ) = W(r)n (r, Kc)(1 - K)- |W(r)|n(r, Kc)dr.
Условие разрешимости (10) Ч условие существования резонанса.
Если в критической точке z-компонента тензора обратной эффективной массы велика, точнее, если m0 1 2En(Kc) (1) = n(k, kz ), (11) Рис. 1. I/E-спектр 1T -TiS2. Полярные углы падения m 2 kz z первичного пучка указаны около кривых. Черточками отмечены дифракционные пороги, отвечающие векторам g1, g2(g 2), то, как следует из теоремы Руше [19], уравнение g3(g 3), g4 и 2g1 на рис. 2.
(10) имеет столько же нулей сколько и функция (1) ( kz (E, ) - kzc), т. е. один. Значит, для заданных k, E имеется ровно одно квазистационарное состояние.
В противоположном случае больших эффективных масс малые изменения W(r) выведут корень уравнения (10) из окрестности критической точки. Это указывает на малую вероятность появления резонансных черт в рассеянии электронного пучка импульса p (k, Ec - k2) вследствие малого времени жизни квазистационарного состояния в этом случае.
Заметим, что из-за непрерывной зависимости решения (10) от k резонансные состояния (во всяком случае локально) образуют зону ER = ER(k, ), погруженную в континуум состояний сплошного спектра ПбК.
Рис. 2. Поверхностная и объемная зоны Бриллюэна соединения 1T -TiS2. gi Ч двумерные векторы обратной решетки ПбК.
3. Сравнение с экспериментом В контексте данной работы рассмотрим эксперизонной структурой [20]; 2) узкие, очень чувствительные менты по дифракции очень медленных электронов к состоянию поверхности пики вблизи дифракционных (E 10-15 eV), в которых явно проявляются критипорогов (A, A, B и C на рис. 1) авторы [20] вполне ческие точки объемных зон [1] и, следовательно, могут обоснованно связывают с пороговым эффектом [10Ц12], проявиться и связанные с ними резонансы.
который они иногда, следуя традиции, называют поНа рис. 1, взятом из работы [20], приведена энергетиверхностным резонансом; 3) структура третьего типа, ческая зависимость поглощенного тока I(E) в 1T -фазе расположенная на рис. 1 левее нижнего дифракционного TiS2 при различных полярных углах падения первичного порога, соответствует пикам I(E) с шириной меньшей, пучка, распространяющегося вдоль направления - M чем у пиков первого типа, но существенно большей, двумерной зоны Бриллюэна (рис. 2).
чем у пиков второго типа. Авторы [20] предположительВ структуре I/E ясно видны пики трех типов:
но интерпретируют эту структуру как поверхностный 1) доминирующая структура, отвечающая пикам I(E) с резонанс с существенным проникновением электрона в полушириной более 1 eV (расстояние между ближайшиглубину кристалла.
ми экстремумами на кривой I/E); такая ширина пиков Из рис. 1 видно, что пики структуры третьего типа свидетельствует о достаточно глубоком проникновении электронов в кристалл, что вместе с упругим характе- соседствуют с максимумами или минимумами структуром взаимодействия, проявляющимся в ясно выраженной ры I/E первого типа, т. е. находятся в окрестности зависимости от k, указывает на их связь с объемной критических точек объемных зон. Согласно (10), при Физика твердого тела, 1998, том 40, № 2006 Г.В. Вольф, Ю.П. Чубурин поверхность TiS2 (рис. 1). Сравнение выделенного из экспериментальной кривой вклада в структуру I/E при E 4 eV с энергетической производной интенсивности, рассчитанной по (12) в приближении постоянства b(E, ), дано на рис. 3. Теоретическая кривая соответствует b = 0.37, = 0.67 eV, ER(0) =4.3eV.
Качественное согласие результатов очевидно. Количественные отличия расчетной и экспериментальной кривых связаны как с погрешностью выделения резонансного вклада из экспериментальных данных, так и с пренебрежением энергетической зависимостью b(E, ) и использованием приближения изолированного резонанса.
Таким образом, были получены следующие результаты: 1) при определенном характере закона дисперсии (m 1) возбужденных зон неограниченного кристалла вблизи критических точек возникают сравнительно долгоживущие резонансы; 2) энергия и время жизни таРис. 3. Вклад низкоэнергетического резонанса в I/E при ких резонансов определяются электронными состояниянормальном падении первичного пучка. Сплошная линия Ч эксперимент, штриховая Ч теория. ми объема кристалла; 3) эти Фобъемные резонансыФ проявляются в дифракции очень медленных электронов как тонкая структура промежуточной ширины по сравнению с поверхностными резонансами и пиками, связанными с определенном характере объемных зон (m 1) в критическими точками объемных зон; 4) при достаточмалой окрестности вещественной энергии Ec = En(Kc) ном удалении от критической точки резонансный вклад в существует квазистационарное состояние со сравнительинтенсивность рассеяния описывается кристаллическим но большим временем жизни (энергия резонанса ER аналогом формулы Брейта-Вигнера; 5) из сказанного близка к Ec, и, следовательно, Im(ER) 1/ мало).
следует, что учет резонансов указанного типа необхоВероятно, данная ситуация и проявляется в рассматридимом при выделении структуры I/E, связанной с ваемом эксперименте.
критическими точками объемных зон при эксперименВажно отметить, что, согласно (10), энергия ретальном определении дисперсии конечных состояний (c) зонансного пика (Re[E(k, kz ; )]) и его ширина процесса фотоэлектронной эмиссии [1] и восстановлении (c) (Im[E(k, kz ; )]) определяются величинами, характеризанятых зон.
зующими объемную зонную структуру, хотя, конечно, по самой сути получения уравнения (10) наличие поверхноСписок литературы сти кристалла необходимо. В этом состоит качественное отличие резонансов данного типа от поверхностных [1] V.N. Strocov. Int. J. Mod. Phys. B9, 15, 1755 (1995).
резонансов, сильно зависящих от вида потенциального [2] Г.В. Вольф, Ю.П. Чубурин, Л.А. Рубцова. Поверхность, 10, барьера. Следуя работе [21], его следовало бы назвать 81 (1991).
Фобъемным резонансомФ. Гипотеза о возможности суще[3] Г.В. Вольф, Ю.П. Чубурин, А.Е. Павлов, Л.А. Рубцова.
ствования резонансов подобного типа выдвигалась еще в Поверхность, 12, 24 (1992).
работе [22] на основе аналогии с одноцентровым рассе- [4] Yu.P. Chuburin, G.V. Wolf. J. Phys.: Condens. Matter 8, янием при условии попадения резонанса в окрестность (1996).
[5] S.G. Louie, T. Thiry, R. Pinchaux, Y. Petroff, D. Chandesris, точки ветвления амплитуды рассеяния ПбК, каковой и J. Lecante. Phys. Rev. Lett. 44, 549 (1980).
является критическая точка объемных зон [16].
[6] V.N. Strocov, H.I. Starnberg. Phys. Rev. B52, 12, 8759 (1995).
Если расстояние между ER и Ec не слишком ма[7] V.N. Strocov, H.I. Starnberg, P.O. Nilsson, H.E. Brauer, ло, то интенсивность резонансного пика имеет брейтL.J. Hollebom. Phys. Rev. Lett. 79, 467 (1997).
вигнеровский вид [3] [8] E.G. McRae. Surf. Sci. 11, 479 (1968).
[9] Дж. Тейлор. Теория рассеяния. Квантовая теория нереляb(E, ) тивистских столкновений. Мир, М. (1975). 566 с.
Pages: | 1 | 2 |
Книги по разным темам
