Part II Selected Topics
11 Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
11.2 Surface Crystallography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
11.3 Surface Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
11.4 Surface Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
11.5 Surface Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
11.6 Surface Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
11.6.1 Surface Phonons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
11.6.2 Surface Plasmons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
11.6.3 Electronic Surface States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
12 Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
12.2 Heteroepitaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
12.2.1 Growth Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
12.2.2 Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
12.2.3 Growth Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
12.2.4 Heterosubstrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
12.2.5 Patterned Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
12.2.6 Pseudomorphic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
12.2.7 Plastic Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
12.2.8 Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
12.3 Energy Levels in Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
12.3.1 Band Lineup in Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
12.3.2 Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
12.3.3 Superlattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
12.3.4 Heterointerface Between Doped Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
12.3.5 Heterointerface Between Semiconductors with Band Structures
of Different Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
12.4 Recombination in Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
12.4.1 Thickness Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
12.4.2 Broadening Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
12.4.3 Quantum Confined Stark Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
12.5 Isotope Superlattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
12.6 Wafer Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
13 Two-Dimensional Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.1 Graphene and Related Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.1.1 Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
13.1.2 Band Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
13.1.3 Electrical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
13.1.4 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
13.2 Two-Dimensional Compound Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
13.2.1 Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
13.2.2 Band Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
13.2.3 Optical Properties and Valley Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
13.2.4 Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
13.3 Van-der-Waals Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
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11 Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
11.2 Surface Crystallography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
11.3 Surface Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
11.4 Surface Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
11.5 Surface Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
11.6 Surface Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
11.6.1 Surface Phonons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
11.6.2 Surface Plasmons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
11.6.3 Electronic Surface States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
12 Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
12.2 Heteroepitaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
12.2.1 Growth Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
12.2.2 Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
12.2.3 Growth Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
12.2.4 Heterosubstrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
12.2.5 Patterned Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
12.2.6 Pseudomorphic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
12.2.7 Plastic Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
12.2.8 Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
12.3 Energy Levels in Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
12.3.1 Band Lineup in Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
12.3.2 Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
12.3.3 Superlattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
12.3.4 Heterointerface Between Doped Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
12.3.5 Heterointerface Between Semiconductors with Band Structures
of Different Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
12.4 Recombination in Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
12.4.1 Thickness Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
12.4.2 Broadening Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
12.4.3 Quantum Confined Stark Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
12.5 Isotope Superlattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
12.6 Wafer Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
13 Two-Dimensional Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.1 Graphene and Related Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.1.1 Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
13.1.2 Band Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
13.1.3 Electrical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
13.1.4 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
13.2 Two-Dimensional Compound Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
13.2.1 Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
13.2.2 Band Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
13.2.3 Optical Properties and Valley Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
13.2.4 Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
13.3 Van-der-Waals Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
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