表面物理学

Surface Physics

996C108

62PHCMP507

金井　要

Kaname KANAI

2023年度後期

2023/Second semester

火曜2限

Tuesday 2nd Period

創域理工学研究科　先端物理学専攻

Department of Physics and Astronomy, Graduate School of Science and Technology

2.0単位

講義

Lecture

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対面授業/On-site class

表面構造、及び、表面電子構造の初歩的な理論的取り扱いと、それを探る種々の実験手法について理解する。特に表面のエネルギーバンド構造の成り立ちなど、電子構造の理解に重点を置いて講義を行う。
また、折に触れ、実際の最先端の実験による表面研究の例も示す。

In this course, students learn the fundamental concepts of surface physics. In particular, students learn the theory of electronic structures at the surface of materials, such as metals and semiconductors, as well as the fundamentals of the methods commonly used to analyze surfaces. The field of surface physics is built on a wealth of microscopic information obtained through a variety of experiments. In this course, we also introduce the latest research in surface science.

バルクとは異なる、表面に特有な構造と電子構造について理解する。

The purpose of this lecture is to understand the surface-specific properties and electronic structures that are different from those of the bulk.

1. 表面の再構成、吸着層構造の表記方法と、それを決定する実験的手法について理解する。
2. 二次元系におけるエネルギーバンド構造の成り立ちについて理解する。
3. ショックレー状態などの表面状態の成り立ちについて理解する。
4. 仕事関数の成り立ちについて理解する。
5. 光電子分光などの表面の電子構造を調べる実験的手法について理解する。
6. 分子吸着系の電子構造について理解する。　

The goal of this course is to develop the ability to apply the knowledge gained in this course to problems involving solid surfaces.　

1.To understand the notation of surface reconstruction, the structure of the adsorbed layer on the surface, and the associated experimental methods.
2.To understand the energy band structure of two-dimensional systems.
3.To understand surface states such as Shockley states.
4.To understand the concept of work function.
5.To understand the experimental methods used to investigate the electronic structure of surfaces, such as photoelectron spectroscopy.
6.To understand the electronic structure of molecular adsorption systems, especially those adsorbed on metal surfaces.

量子力学、固体物理学の初歩的な知識を習得していることが望ましい。　

Required to master basic knowledge in quantum mechanics, statistical mechanics, and solid state physics.

課題に対する作文　Essay

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配布した講義資料による予習(1.5時間)、復習(1.5時間)を行うこと。

Read the lecture materials and prepare for (1.5 h) and review (1.5 h) the lectures.

講義最終回にて提示する課題に対するレポートの評価点により評価する。レポートの解答例などの詳細は最終回講義にて提示する。

Evaluation based on end-term report. Example of the report will be explained in the final lecture.

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

N

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

量子力学、固体物理学の基本的な教科書　

Introductory texts to quantum mechanics, statistical mechanics, solid state physics, and surface physics.

1. 序: 表面、界面で起こる様々な現象と、最近の表面科学の進展

2. 表面の対称性とその記法

3. 低速電子線回折法による表面構造の観測

4. 表面電子状態の理論的取り扱い(1)
　-エネルギーバンドの基礎-

5. 表面電子状態の理論的取り扱い(2)
　-2次元系のエネルギーバンド構造-

6. 表面電子状態の理論的取り扱い(3)
　-表面電子状態の成り立ちについて-

7. 表面準位の成り立ちの理論的背景(1)
　-ショックレー準位とラシュバ効果について-

8. 表面準位の成り立ちの理論的背景(2)
　-タム準位とその他の表面準位について-

9. 仕事関数の理論的取り扱い

10. 金属表面への分子吸着による仕事関数変化
　-電荷注入障壁と界面電気二重層-

11. 正逆光電子分光の基礎と研究例

12. 角度分解光電子分光と走査トンネル顕微鏡の基礎と研究例

13. 分子吸着系の物理(1)
　-物理吸着と化学吸着-

14. 分子吸着系の物理(2)
　-金属表面へのCO吸着系の詳細-

15. 有機エレクトロニクスにおける表面物理学
　-電極界面電子状態の表面物理学的なアプローチ-


1. Introduction: Various phenomena occurring at surfaces and interfaces, and recent progress in surface science.

2. Surface structure and crystallography: Description of the atomic structure of crystalline low-index surfaces.

3. Determination of the surface structure: Low energy electron diffraction (LEED) method and other techniques to probe surface structure.

4. Theoretical description of surface electronic structure (1): Review of energy band theory based on tight-binding model.

5. Theoretical description of surface electronic structure (2): Tight-binding model for 2-dimensional electron systems.

6. Theoretical description of surface electronic structure (3): Strongly confined 2-dimensional electronic states on metal surfaces.

7. Theoretical description of surface states (1): Shockley surface states and Rashba effect.

8. Theoretical description of surface states (2): Tamm surface state, image potential surface state, and other surface states.

9. Theoretical description of work function of metal: Exchange correlation and surface dipole.

10. Modification of work function by molecular adsorption.

11. Basics of photoemission spectroscopy (PES) and inverse photoemission spectroscopy (IPES): Direct observation of electronic structure of materials.

12. Examples of recent research experiments using angle-resolved PES and scanning tunneling spectroscopy (STS): Direct observation of energy band structure and Fermi surface of metals.

13. Theoretical description of adsorption of molecule on surfaces (1): Physisorption and chemisorption.

14. Theoretical description of adsorption of molecule on surfaces (2): Chemisorption of CO molecule onto Ni surface.

15. Surface physics for applied research: Interfaces between electrode and semiconductor in semiconducting devices in terms of surface physics.

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