표면 구조(Surface Structure)

표면(Surface)와 내부(Bulk)의 차이

어떤 물질의 표면(surface) 성질을 분석하는 것은 매우 중요하다. 표면(surface)이란 물질을 구성하는 원자들이 이루는 특정한 면에 대해 평행하게 자른 원자층을 의미한다. (top few atomic layer)

같은 물질이라도 surface과 bulk의 성질은 상당히 다른 경우가 꽤 있다. 이는 고체 내부(bulk)의 원자는 사방으로 bonding이 이루어져 있는 반면, surface에 존재하는 원자들은 non-paired electron인 dangling bond가 존재하기 때문이다. Dangling bond란 surface에 존재하는 결합하지 않은 extra electron이며 immobilized free electron이라고도 한다.

그림의 위쪽 두꺼운 선이 dangling bond

따라서 surface에 있는 원자들은 bulk에 비해 화학적으로 reactive하다. 이러한 구조의 차이는 surface와 bulk의 electron property에도 영향을 미친다.  Nano scale으로 갈수록 부피에 비해 표면이 차지하는 비율이 높아지며 (S/V ratio) 이에 따라 표면에 대한 이해는 촉매반응이나 반도체 박막 성장 같은 공정에 매우 중요하다.

Surface의 형태

이러한 고체 표면 형태의 종류에는 크게 3가지가 존재한다.

① Bulk exposed plane

이 구조는 surface의 원자 배열과 bulk의 원자 배열이 일치하는 구조이며 surface의 형성에 있어서 solid의 어긋남이 최소화된 형태이다. 즉 원자간 간격이 일정하며 layer마다 간격이 동일하다는 특징이 있다.

② Relaxation

Bulk 상태와 비교하여 x-y 평면의 원자 배열은 유지되나, z축 방향으로 bulk lattice와 분리(deviation)된 곳이 존재하며 이를 selvedge라고 한다.

③ Reconstruction

Bulk의 구조와 표면의 구조가 완전히 다르며 surface의 원자들은 서로 대칭(symmetry)를 이룬다. 마찬가지로 selvedge 구조를 가진다. z축 방향으로의 주기성이 상실된다(loss of periodicity in z-direction)