表面準位・とは？初心者にもわかる基礎解説と身近な例共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

表面準位とは何か

表面準位は、物質の表面に現れる特別なエネルギー状態のことです。固体の中では電子は階段のようなエネルギー準位を順番に埋めていきますが、表面では内部の影響を受けにくい独自の状態が生まれることがあります。これを表面準位と呼びます。

どうして生まれるのか

結晶の内部と表面では環境が違います。内部は周りが同じ原子で囲まれていますが、表面は空気や他の物質と接しています。そのため、電子が取りうるエネルギーの幅や形が変化し、表面にだけ現れる準位ができやすくなります。

身近な例

半導体の表面には独特の電子状態があり、これが電気の流れ方や光の反応に影響します。スマホの画面を光にかざしたときの反射や発光にも関係します。

どう調べるのか

実験では光を当てて電子の遷移を調べたり、顕微鏡で表面の状態を観察します。走査型トンネル顕微鏡(STM)などの機器を使うと、表面準位の位置や性質を直感的に捉えることができます。この分野は難しく見えますが、基本は「表面という特別な場所に現れる電子の状態」だと覚えておくと良いです。

表面準位と私たちの生活

表面準位は日常生活の直接の会話には出てきませんが、太陽電池やスマートフォンの画面、光センサーなど、私たちの暮らしを支える多くの技術の背景で働いています。

ポイントの要約

<th>要素

説明
場所	物質の表面
性質	内部とは違うエネルギー状態
影響	電気・光の挙動に影響
観察方法	分光・STMなどの実験

重要なポイント

表面準位は表面特有の状態であり、物質の表面でのみ現れることを理解すると、固体物理の入口としてつまずきにくくなります。

表面準位の同意語

表面エネルギー準位: 表面（物質の最外層）に現れるエネルギー準位のこと。表面の電子状態を表す専門用語で、表面準位と同義で使われることが多い。
表面状態: 表面に局在する電子の状態を指す語。研究文献では表面準位とほぼ同義で使われることがある。
表面のエネルギーレベル: 表面におけるエネルギーの段階を指すカジュアルな表現。表面エネルギー準位と同義として用いられることがある。
表面局在準位: 表面に局在する電子のエネルギー準位の専門用語。局在性を強調した言い換え。
局在表面準位: 表面で生じる準位を表す表現。意味は“表面局在準位”とほぼ同じ。
表層準位: 表層（表面付近）のエネルギー準位を指す言い換え。やや口語的・部位特定のニュアンス。
表面固有準位: 表面特有のエネルギー準位を指す表現。表面の特性に由来する準位を指す語。
表面電子準位: 表面に現れる電子のエネルギー準位を指す言い換え。用途は表面の電子状態を説明するとき。
表面エネルギー状態: 表面に存在するエネルギー状態全般を指す語。表面準位とほぼ同義の使い方をされることがある。
表面の局在エネルギー準位: 表面で局在するエネルギー準位を詳しく表現した語。複数の表面状態を指す場合に使われることがある。

表面準位の対義語・反対語

内部準位: 材料の内部に位置するエネルギー準位。表面に局在せず、体積（バルク）内部で広く分布する性質を指します。
体積準位: 体積（バルク）全体に分布するエネルギー準位。表面局在のない状態を表す対語として使われます。
バルク準位: 英語の Bulk states を日本語化した表現。結晶の体積内に存在するエネルギー準位を指します。
深部準位: 表面から離れた深い位置にあるエネルギー準位。表面準位の対比として用いられることがあります。
非表面準位: 表面に局在していないエネルギー準位。直感的には表面準位の反対語として使われることがあります。

表面準位の共起語

表面状態: 表面近傍に現れる電子のエネルギー状態。表面固有の準位を示すことが多い。
エネルギー準位: 電子が取り得る特定のエネルギー値。量子力学での基本概念。
フェルミ準位: 材料内で電子が占有可能な最高エネルギー準位。零 Kelvinでの占有状態の目安となる値。
バンド構造: 固体中の電子エネルギーと波数の関係を表す概念。伝導帯・価電子帯の分布を含む。
バンドギャップ: 価電子帯と伝導帯の間のエネルギー差。半導体の特性を決定づける重要項目。
伝導帯: 電子が自由に動いて電気を運ぶエネルギー帯。
価電子帯: 電子が結合しているエネルギー帯。主に電子の価電子状態が該当。
半導体: 電気伝導性が金属と絶縁体の中間程度の材料。デバイスで広く使われる。
表面再結合: 表面でキャリア（電子とホール）が再結合する現象。発光効率や信号に影響。
表面化学: 表面での吸着、酸化、反応などの化学現象。表面状態に影響する。
表面バンド: 表面付近での特殊なバンド構造や分布を指すことがある表現。
光電子分光: 光を照射して材料から放出される電子のエネルギーを測定する分析技法。表面準位の観察にも使われる。
ARPES: Angle-Resolved Photoemission Spectroscopyの略。角度分解光電子分光法。表面状態のエネルギー分布と角度情報を同時に得られる。
トポロジカル表面状態: トポロジカル絶縁体などで現れる特異な表面電子状態。保護された性質を持つことが多い。
仕事関数: 表面から真空へ電子を放出させるのに必要な最小エネルギー。表面状態と測定条件に影響。
局所状態: 材料の特定の場所に局在するエネルギー準位。欠陥や不純物によって生じることがある。
表面欠陥状態: 表面の欠陥や不純物が作る追加のエネルギー準位。表面の電子挙動に影響。
X線光電子分光: X線を用いて材料の結合状態や化学組成、表面準位を分析する手法。表面研究で広く用いられる。

表面準位の関連用語

表面準位: 表面に存在するエネルギー準位のこと。表面のダングリングボンドや欠陥、吸着などにより生じ、表面の電子状態を左右します。バンドギャップ内に現れることが多く、表面の反応性や電荷分布に影響します。
表面状態: 表面に局在する電子状態の総称。表面準位を含む場合があり、吸着・再構成・欠陥の影響を受けて変化します。
ダングリングボンド: 表面原子が結合を失い未結合になった状態の電子。表面準位の主要な起源となることが多いです。
表面欠陥: 表面に存在する欠陥（欠け・空孔・置換など）に由来する準位。表面の電子挙動を乱す原因になります。
表面再構成: 表面原子の並びが内部の結晶と異なる新しい表面構造。これに伴い表面電子状態が大きく変化します。
表面電位: 表面の電位エネルギーのこと。表面電荷分布により生じ、帯の分布を変形させることがあります。
表面電荷: 表面近傍に蓄積・分布する電荷。バンドベンディングを引き起こし、表面の導電特性に影響します。
バンドベンディング: 表面の電場によって、表面近傍で価電子帯と導電帯のエネルギー準位が空間位置に応じて曲がる現象。
バンド構造: 固体内部のエネルギーバンドの分布。表面状態はこの構造の表面側で現れます。
バンドギャップ: 価電子帯と導電帯の間のエネルギー差。半導体では特に重要な指標です。
価電子帯: 価電子が占有するエネルギー帯。
導電帯: 自由電子が占有するエネルギー帯。電気伝導に直結します。
フェルミ準位: 温度を問わず電子の占有確率の基準となるエネルギー。表面・体の電子状態を理解する鍵。
ドナー準位: ドナー不純物が生み出す準位。近傍に自由電子を供給する役割を持つことが多いです。
アクセプター準位: アクセプター不純物が生み出す準位。近傍に正孔を供給する役割を持つことが多いです。
ARPES: Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy の略。表面のバンド構造と表面状態を運動量分解で測定する実験手法。
STS: Scanning Tunneling Spectroscopy。走査型トンネル顕微鏡で表面の局所的な電子状態密度を測定する手法。
STM: Scanning Tunneling Microscope。表面の原子レベルの形状や局在状態を観察できる顕微鏡。
XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy。表面の元素組成・化学状態を分析する表面分析手法。
表面吸着: 分子や原子が表面に吸着する現象。吸着の種類によって表面状態が大きく変化します。
表面化学: 表面で起こる化学反応・現象の総称。触媒反応や吸着・脱着などを含みます。
表面パッシベーション: 表面の化学活性を低減させ、表面準位を安定化させる処理。デバイスの性能向上に用いられます。
表面状態密度: 表面に現れる電子状態の密度。STSやARPESで観測・推定されます。
バンドエッジ: 価電子帯の上端と導電帯の下端。エネルギー境界の目安となる点です。