Электронные свойства поверхности металлов и оксидов металлов

Свойства поверхности распространяются вглубь твердого тела на десятки нанометров. Для характеристики этих свойств используются электронные зоны, валентные зоны, зоны проводимости, фононные и магнитные возбуждения. Поверхностные состояния имеют энергии отличные от массивных твердых тел.В кристаллическом поле или поле лигандов пониженной симметрии для поверхности оксидов переходных металлов вырождение уровней снимается. Их энергия становится ниже вырожденных -электронов массивного оксида. Таким образом, поверхностный донорный уровень находится ниже дна зоны проводимости, а поверхностный акцепторный уровень выше потолка валентной зоны, т.е. поверхностные уровни, лежат в запрещенной зоне. Энергия поверхностных уровней (расстояние от пониженного поверхностного одноэлектронного уровня до дна зоны проводимости) оценивается по формуле

где -ширина запрещенной зоны, , -отношение поверхностной константы Маделунга к объемной константе Маделунга ; , -потенциал ионизации металла, -сродство к электрону неметалла, -валентность, -заряд электрона.

Большинство оксидов и сульфидов металлов являются полупроводниками. Электронная проводимость полупроводников имеет вид

Где -энергия активации электропроводности.

Характер зависимости энергии активации оксидов и сульфидов металлов подобен зависимости энергии связи кислорода с поверхностью металлов. Это отражает тенденцию переноса закономерности построения молекулярных орбиталей для отдельных ионов на организацию уровней для поверхностных слоев оксидов металлов. Минимумы и наблюдаются для и конфигураций, а максимумы для конфигураций.

Максимум плотности электронных поверхностных состояний в металлах почти во всех случаях наблюдается ниже уровня Ферми. Для вольфрама методом спектроскопии электронного проектора наблюдались незаполненные локализованные состояния на поверхности вольфрама до 4 эв выше уровня Ферми.

Магнитные свойства поверхности металлов и оксидов металлов.

Металлы обладающие магнитным упорядочением относятся металлы, атомы которых обладают и электронными конфигурациями. Для переходных -металлов характерны узкие энергетические зоны и наличие некомпенсированных атомных моментов. Никель, кобальт и железо обладают замкнутыми электронными оболочками . Что соответствует нулевым магнитным моментам этих оболочек. Магнитные моменты дают только незаполненные и -уровни. Все состояния до уровня Ферми заполнены, то десять электронов никеля заполняют почти всю -зону и часть -зоны. -зона очень узкая, плотность электронных состояний на границе, энергии Ферми велика.

Рассмотрим магнитную пленку окиси железа на поверхности металлического железа. Нанокластеры железа 12-26 нм получались аэрозольным методом, затем окислялись на воздухе. Толщина оксида железа на поверхности варьировалась за счет изменения температуры окисления 150-200^оС и времени выдержки на воздухе 1-1,5 ч. Оксидный слой гамма – оксида железа толщиной 1-2 нм уже обладает магнитным упорядочением. Однако эффективное магнитное поле меньше чем в массивном .