Oberflächenzustände

Oberflächenzustände sind elektronische Zustände, die in der Nähe der Grenzfläche eines Festkörpers lokalisiert sind. Sie entstehen durch den Abbruch der periodischen Potenzialordnung am Oberflächenbereich, wodurch die Translationssymmetrie beendet wird und Zustände mit Ausdehnung in die Oberflächenregion erlaubt sind.

Man unterscheidet intrinsische Oberflächenzustände, wie Tamm- oder Shockley-Zustände, die direkt aus der Beendigung der Kristallordnung resultieren, von durch Adsorption oder Oberflächenverunreinigung verursachten Zuständen (z. B. Dangling-Bonds oder chemische Bindungen). Oberflächenzustände können energiespezifisch innerhalb von Bandlücken liegen oder als Resonanzen innerhalb der Bulk-Bänder auftreten.

Sie können sich energetisch und räumlich deutlich unterscheiden. Typischerweise liegen sie in Bereichen, die für die Bulk-Bandstruktur ungültig oder stark verändert sind, und sie besitzen Wellenfunktionsanteile sowohl im Festkörperinneren als auch außerhalb, in der Nähe der Oberflächenregion. Durch diese Lokalisierung beeinflussen Oberflächenzustände Eigenschaften wie das Arbeitspotenzial, die Bandbiegung, die Oberflächenleitfähigkeit und die chemische Reaktivität, insbesondere bei Katalyse oder Sensoranwendungen.

In Topologischen Isolatoren existieren robuste, spinpolarisierte Oberflächenzustände, die durch die Topologie der Bandstruktur geschützt sind und sich gegen Störungen an der Oberfläche bemerkbar machen. Experimentell werden Oberflächenzustände mit Techniken wie ARPES, STM/STS oder LEED identifiziert; theoretisch beschreibt man sie durch Lösungen der Schrödinger-Gleichung mit Oberflächenpotenzial, Tight-Binding-Modelle oder Green-Funktion-Methoden.