c軸に垂直な表面はaとbが張る四角形を単位胞とする2次元格子からなる。バルクの断面と同じ構造の表面を理想表面という。Si(100)面とSi(001)面は方向が異なるが、立方晶であるバルクの対称性がそのまま保たれるとすれば、どちらの断面も等価である。等価な結晶面の集合は、ミラー指数を中括弧で囲んで{100}のように示す。理想表面と実際の表面で完全に構造が一致することはまれで、多くの表面では電荷密度の偏りやダングリングボンドに起因する不安定性を緩和するために、原子が理想表面での位置からずれる。このような構造の変化を表面再構成(または再配列)と呼ぶ。表面に吸着した原子や分子が原因で表面再構成が起こることもある[10]。実際の表面の単位格子ベクトルは、理想表面の単位格子ベクトルの線型結合で表現する。このときの係数を指定すれば、再構成の有無にかかわらず表面の対称性を表現できる。実際には(2×2の行列となる)係数そのものよりも、簡略化したウッドの記法に基づいて「Si(111)-(7×7)」のように表面の対称性を表すことが多い[11]。主な研究手段[編集]表面科学の実験には原理的に避けがたい課題がいくつかある。表面の原子はバルクの原子よりも圧倒的に少ないため、通常の分析手法では表面の信号はバルクの信号に埋もれてしまう[12]。したがって表面の分析を行うためには、表面の信号だけを選択的に測定できるような手法を用いる必要がある。大気圧下では、気体分子が表面に衝突、吸着、脱離を繰り返しているため、分析対象である表面の状態が測定中にも絶え間なく変化してしまう[12]。そのため実験を超高真空下で、気体分子の量や種類をコントロールして行うことも多い。組成を分析するために光電子分光やオージェ電子分光などが用いられる[17]。吸着分子の分析には、上記の方法に加えてケルビンプローブによる仕事関数の測定や各種の振動分光、脱離した分子の質量分析などが行われる。理論面からの研究にも表面科学に特有の課題がある。表面系のバンド計算や構造最適化では、バルクにも用いられる第一原理計算パッケージが流用される。いったパッケージでは、実空間法などの例外を除いて、x、y、z方向への周期性が計算の前提となっている。表面では法線方向への周期性が崩れているため、そのままでは計算ができない。そのため、表面のある固体を交互に並んだ原子層と真空層で近似して、法線方向の周期性をモデル系に持たせる近似がよく用いられる(スラブ近似)[18]。表面-分子系を解析するために、巨大なクラスターの端面として表面をモデル化する場合もある(クラスター模型)[19]。最近の研究動向[編集]最近では、ナノテクノロジーブームから、ナノ材料と言われる機能材料の開発に力点がシフトしている。スピントロニクスや、新しい触媒等の開発を目的に掲げているケースが多い。そのほか、MOSFET用の絶縁体の開発に関係して、絶縁体表面の研究も盛んである。シリコン表面にハフニウム酸化物を薄膜として生成させた系は、誘電率の高いゲート絶縁膜として盛んに研究されている。した絶縁膜はhigh-k絶縁膜とも呼ばれ、半導体メーカー各社が熾烈な開発競争を展開している。ハフニウムを用いたhigh-k絶縁膜は、従来のシリコン絶縁膜よりも大幅なトンネル電流の削減に成功しており、これを用いた半導体チップも製造されている。