2.1.   Свободная поверхность и межфазные границы

Практическая реализация квантового ограничения и связанных с ним эффектов требует пространственной локализации электронов. B твердых телах это может быть достигнуто путем использования свободных поверхностей и межфазных границ.

Свободная поверхность (free surface) любого твердого тела представляет собой естественный потенциальный барьер. Разрешенные энергетические состояния электронов при переходе через поверхность изменяются скачкообразно. Высота и пространственная конфигурация такого барьера определяются расположением атомов твердого тела на поверхности и вблизи нее, а в особенности  чужеродными (примесными) атомами и молекулами, адсорбированными на поверхности. Поверхностные свойства кристаллов, находящихся в вакууме, определяются несколькими приповерхностными моноатомными слоями, которые по своей атомной конфигурации отличаются от таковых в объеме кристалла. Поверхностный слой кристалла, свободный от адсорбированных частиц, обычно подвержен структурным изменениям, которые называют реконструкцией (reconstruction). B некоторых редких случаях, однако, он может оставаться нереконструированным (nonreconstructed).

Реконструкция поверхности является следствием перестройки оборванных связей поверхностных атомов. Поверхностные атомы с разорванными ковалентными или ионными связями могут сгруппироваться в ряды с межатомными расстояниями больше или меньше, чем в объеме. Ближайшие соседние поверхностные атомы сближаются для образования связей за счет своих незадействованных валентных электронов и таким образом понижают энергию системы. При этом происходит реконструкция поверхности, характеризующаяся измененными (по отношению к объему) позициями атомов и образованием новой элементарной ячейки. Особенности реконструированной поверхности влияют на ее электронные свойства и на последующее эпитаксиальное осаждение на нее других материалов.

На нереконструированных поверхностях расположение атомов сохраняется таким же, как и в объеме, хотя расстояние между верхними моноатомными слоями изменяется. Это расстояние уменьшается, что находит объяснение в рамках представлений о двухатомной молекуле. Согласно этим представлениям, расстояния между атомами в приповерхностном слое характеризуются величинами, промежуточными между межатомными расстояниями в объеме кристалла и в свободной двухатомной молекуле, состоящей из тех же атомов, что и кристалл. Поскольку межатомное расстояние в двухатомной молекуле меньше, чем в кристалле, то существует движущая сила для релаксации атомов на поверхности. B процессе такой релаксации в плоскости поверхности атомы сохраняют свое взаимное расположение таким, как оно проецируется из объема, но расстояние между атомными плоскостями уменьшается.

Адсорбированные на поверхности атомы и молекулы образуют связи, нетипичные для объема твердого тела. B результате, атомная структура и соответственно электронные свойства приповерхностного слоя приобретают существенные отличия от структу

ры и свойств, типичных как для объема твердого тела, так и для его реконструированной или нереконструированной поверхности. Когда две свободные поверхности располагаются близко друг к другу (как, например, в квантовой пленке или квантовом шнуре), модифицированные приповерхностные слои могут перекрываться и кардинально изменять свойства таких структур.

Точный контроль потенциального барьера у свободной поверхности и управление им затруднены из-за неконтролируемой адсорбции примесей. Более того, сложно реализовать инжекцию носителей заряда через такой барьер, что необходимо для приборных применений. Как следствие этого, свободные поверхности следует рассматривать в качестве одного из важнейших элементов низкоразмерных структур, хотя их непосредственное использование в приборных структурах обычно ограничено пассивными функциями.

Межфазные границы (interfaces) образуются между материалами с различными физическими свойствами. В случае полупроводников из всех возможных комбинаций монокристаллической, поликристаллической и аморфной фаз, граница между двумя монокристаллическими областями имеет наиболее управляемые и воспроизводимые характеристики. Для того чтобы получить потенциальный барьер на такой границе, должно быть удовл
етворено одно из следующих требований:

· если контактирующие полупроводники имеют одинаковый химический состав, они должны отличаться типом основных носителей заряда;

· при одинаковом типе основных носителей заряда их концентрации должны быть существенно различны;

· полупроводники же с разным химическим составом должны иметь близкие, а в идеальном случае – совпадающие параметры решеток.

Потенциальные барьеры, образованные на границе двух материалов с одинаковым химическим составом, обычно являются широкими и гладкими. Это – результат диффузионного перераспределения примесей, придающих определенные донорные или акцепторные черты контактирующим областям. Взаимная диффузия компонентов на границе материалов с различными химическими составами обычно ограничена несколькими монослоями (один монослой – это самый тонкий слой, содержащий полный стехиометрический набор атомов данного материала). Для таких границ характерны резкие, ступенчатые потенциальные барьеры. Они образуются в гетероэпитаксиальных структурах полупроводников, создаваемых из бинарных, тройных и четверных соединений групп AIIIBV и AIIBVI. Подходящие пары материалов в данном случае определяет требование согласованности кристаллических решеток. Формируются такие структуры в виде сверхрешеток.