Oberflächenzustand

Oberflächenzustand bezeichnet in der Festkörperphysik die elektronischen Zustände, die überwiegend an der Oberfläche eines Kristalls lokalisiert sind. Im idealen Kristall endet das periodische Potential an der Oberfläche, wodurch die Wellenfunktion der Elektronen an der Grenze modifiziert wird. Dabei entstehen Zustände, die nicht im Bandspektrum der Innenbereiche auftreten; sie können innerhalb einer Bandlücke liegen oder als Resonanzen in angrenzenden Bändern erscheinen.

Ursachen sind zum einen die Termination des Kristalls mit unterkoordinierten Atomen und Dangling-Bonds, zum anderen Zustände, die durch Adsorption, Rekonstruktion oder Defekte entstehen. Historisch wurden Oberflächenzustände von Shockley und Tamm beschrieben; moderne Konzepte umfassen auch Fermi-Level-Pinning in Halbleitern, das die elektrische Kontaktbildung beeinflusst.

Messmethoden wie Rastertunnelmikroskopie-Spektroskopie (STS), Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (UPS) und Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) ermöglichen die energetische Lage und Dispersion von Oberflächenzuständen zu bestimmen. Oberflächenzustände können sich als eigenständige elektronische Zustände innerhalb einer Bandlücke befinden oder als resonante Zustände in angrenzenden Bändern auftreten und damit die elektronische Struktur einer Oberfläche prägen.

Bedeutung und Anwendungen ergeben sich insbesondere in der Oberflächen- und Grenzflächenchemie, der Halbleitertechnik sowie der Katalyse. Sie beeinflussen Arbeitspotential, Oberflächenleitfähigkeit, Reaktivität und Bindungsstärken an der Oberfläche. Durch Oberflächenbehandlung, Passivierung oder gezielte Adsorption lassen sich ihre Eigenschaften oft kontrollieren, um gewünschte elektronische oder chemische Eigenschaften zu realisieren.