Oberflächenzuständen

Oberflächenzustände sind Quantenzustände, die an der Grenze zwischen zwei Medien lokalisiert sind, meist zwischen einem Kristall und dem Vakuum oder einem anderen Medium. Durch den Bruch der Translationssymmetrie normal zur Oberfläche entstehen Lösungen der Elektronendynamik, die sich in das Kristallinnere abschwächen, aber an der Oberfläche nicht verflüchtigen. Somit unterscheiden sich Oberflächenzustände von den Zuständen des jeweiligen Kristallbulks.

Elektronische Oberflächenzustände treten häufig innerhalb einer Bandlücke der Bulkstruktur auf oder außerhalb der Bulk-Bänder, zum Beispiel als Bildzustände im Vakuumbereich. Man unterscheidet Zustände, die durch die Oberflächenpotentiale entstehen (Tamm-Zustände) und durch die spezielle Bandstruktur der gekoppelten Oberflächen-Schranken (Shockley-Zustände). Weitere Beispiele sind Bildpotential-Zustände, die durch das Coulombbildpotential an der Oberfläche gebunden werden.

Besondere Bedeutung besitzen topologische Oberflächenzustände. In Topologischen Isolatoren existieren robuste, gapless Zustände an der Oberfläche, die eine Dirac-artige Dispersion aufweisen und durch die Zeitreversibilität geschützt sind. Diese Zustände sind spinpolarisiert und widerstehen nichtmagnetischen Störungen, was sie besonders interessant für Spintronik und Quantentechnologien macht.

Experimentell werden Oberflächenzustände häufig mit Winkelauflösender Photoemission (ARPES) und Rastersondenmikroskopie (STM/STS) nachgewiesen; inverse Photoemission ergänzt die Untersuchung der unbesetzten Zustände. Theoretisch werden sie mittels Slab-Modellen, Tight-Binding-Ansätzen oder Green-Funktion-Methoden beschrieben.

Bedeutung: Oberflächenzustände beeinflussen Oberflächenchemie, Katalyse, Elektronik und Spintronik, insbesondere in Nanostrukturen und Materialien mit starkem Oberflächenanteil.