材料表面与界面--研究生教案课件.ppt

1、材料表面与界面材料表面与界面-研究生教案研究生教案课程编号课程编号:0831001203a课程学分课程学分:2学分学分教学方式教学方式:讲授、研讨、自学讲授、研讨、自学教学要求与目的教学要求与目的：掌握目前掌握目前关于材料表面与界面关于材料表面与界面结构与性质的基本理论结构与性质的基本理论；掌握近代材料表面改性；掌握近代材料表面改性与分析的基本方法；了解材料表面与界面的研究与分析的基本方法；了解材料表面与界面的研究动向。动向。材料学、材料加工工程、材料学、材料加工工程、材料物理化学、生物医学工程材料物理化学、生物医学工程适用专业适用专业:课程主要内容：课程主要内容：一、材料表面与界面的结构一、

2、材料表面与界面的结构二、材料表面振动二、材料表面振动三、材料表面电子态三、材料表面电子态（金属、半导体）（金属、半导体）四、材料表面吸附四、材料表面吸附五、薄膜与非晶的表面与界面特性五、薄膜与非晶的表面与界面特性六、外来粒子与表面的相互作用六、外来粒子与表面的相互作用七、材料表面与界面的分析方法七、材料表面与界面的分析方法课程教材及主要参考书：课程教材及主要参考书：1、孙大明等编著，固体的表面与界面，安徽教育孙大明等编著，固体的表面与界面，安徽教育出版社，出版社，19962、朱履冰主编，表面与界面物理，天津大学出版、朱履冰主编，表面与界面物理，天津大学出版社，社，19923、李恒德，肖纪美，材

3、料表面与界面，清华大学、李恒德，肖纪美，材料表面与界面，清华大学出版社，出版社，1990课程教学计划（共课程教学计划（共16讲）：讲）：教学方式教学方式:讲授、研讨讲授、研讨*、自学、自学*时间比重：时间比重：50%、30%、20%讲次安排：讲次安排：8讲、讲、5讲、讲、3讲讲考查方式：考试考查方式：考试60%+报告报告40%*:按方向分题，多个议题，要求每人准备稿件、做报告并按方向分题，多个议题，要求每人准备稿件、做报告并上交稿件；上交稿件；*:要求了解该领域最新概况，写读书笔记或报告；要求了解该领域最新概况，写读书笔记或报告；*：讨论稿讨论稿+读书笔记。读书笔记。第一部分第一部分 材料表面

4、与界面的结构材料表面与界面的结构1.1 固体的表面固体的表面一、理想表面一、理想表面d内部内部表面表面理想表面示意图理想表面示意图理论上结构完整的二维点阵平面。理论上结构完整的二维点阵平面。理论前提：理论前提：1、不考虑晶体内部周期性不考虑晶体内部周期性势场势场在晶体表面在晶体表面中断的影响；中断的影响；2、不考虑表面原子的、不考虑表面原子的热运动热运动、热扩散热扩散、热热缺陷缺陷等；等；3、不考虑、不考虑外界外界对表面的物理对表面的物理-化学作用等；化学作用等；4、认为体内原子的位置与结构是无限周期、认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位置与结构是半无限性的，则表面原子的位置

5、与结构是半无限的，与体内完全一样。的，与体内完全一样。二、清洁表面二、清洁表面不存在任何吸附、催化反应、杂质扩不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理散等物理-化学效应的表面。化学效应的表面。1、台阶表面台阶表面-表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。（表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）内）晶面1（平面）晶面3（连接面）晶面2（立面）清洁表面可分为三种清洁表面可分为三种：台阶表面、弛豫表面台阶表面、弛豫表面、重构表面、重构表面 2、弛豫表面：弛豫表面：指表面层之间以及表面和体内原子层之间的指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距垂

6、直间距ds和体内原子层间距和体内原子层间距d0相比有所膨相比有所膨胀和压缩的现象。可能涉及几个原子层。胀和压缩的现象。可能涉及几个原子层。ds内部内部表面表面d03、重构表面重构表面：指表面原子层在水平方向上的周期性不指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。与体内相同。d0内部内部表面表面d0三、吸附表面三、吸附表面在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。点所构成的表面。吸附表面可分为四种吸附位置吸

7、附表面可分为四种吸附位置：顶吸附、桥吸附顶吸附、桥吸附、填充吸附、中心吸附、填充吸附、中心吸附 顶吸附顶吸附桥吸附桥吸附填充吸附填充吸附中心吸附中心吸附俯视图俯视图剖面图剖面图四、表面自由能四、表面自由能 在建立新表面时，邻近原子将丢失，键被在建立新表面时，邻近原子将丢失，键被切断，因此，必须对系统作功；切断，因此，必须对系统作功；同样，在一定温度和压力下，并保持平衡同样，在一定温度和压力下，并保持平衡条件，若增加表面能，系统也必须作功。条件，若增加表面能，系统也必须作功。对所有单组分的系统，表面总的自由能改变为：对所有单组分的系统，表面总的自由能改变为：dAVdpSdTdGG-表面自由能；S

8、-熵；T-温度V-体积；p-压力；-表面张力；A-表面积五、表面偏析五、表面偏析 杂质由体内偏析到表面，使多组分材料体系的杂质由体内偏析到表面，使多组分材料体系的表面组成与体内不同。表面组成与体内不同。将偏析与表面张力联系起来：将偏析与表面张力联系起来：(1)若若 2 1,表面张力较小的组分将在表面上偏析表面张力较小的组分将在表面上偏析(富集富集);(2)若若 2=1,不存在表面偏析。不存在表面偏析。1.2 表面二维结构表面二维结构平面平面 二维二维 格点阵列格点阵列 二维格子示意图二维格子示意图格点格点 格点可以是一个原子（即格点可以是一个原子（即Bravais布喇菲布喇菲格子）；格子）；格

9、点也可以是原子团；格点也可以是原子团；二维格子中任意格点的位矢：二维格子中任意格点的位矢：bmanTab、为二维格子的基矢。为二维格子的基矢。也是原胞的两条边。也是原胞的两条边。二维格子的数目是有限的，实际上只有二维格子的数目是有限的，实际上只有5种种Bravais格子，即格子，即斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下：斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下：名名 称称格子符号格子符号基矢关系基矢关系晶晶 系系斜形斜形方形方形六角形六角形矩形矩形中心矩形中心矩形PPPPCa b，90，任任意意a=b，=90a=b，=120a b，=90a b，=90斜形斜形正方正方六角六角

10、矩形矩形矩形矩形二维二维Miller指数指数Miller指数指数标记二维晶格中平行晶列的各种取向。如（hkl）注意与晶面指数晶面指数的区别。？表面结构命名法表面结构命名法Wood命名法22 矩阵命名法自学1.3 常见的表面结构常见的表面结构一、金属表面结构一、金属表面结构 目前已确定有目前已确定有100多种表面结构。以下主要介绍多种表面结构。以下主要介绍金属表面金属表面结构、半导体表面结构、氧化物表面结构结构、半导体表面结构、氧化物表面结构以及以及薄膜表面结构薄膜表面结构。清洁的金属表面，低能电子衍射（清洁的金属表面，低能电子衍射（LEED）研研究表明具有如下特点：究表明具有如下特点：1、其、

11、其Miller指数面的表面单胞指数面的表面单胞多为（多为（1 1）结构）结构；2、表面、表面单胞单胞与体内单胞在表面的与体内单胞在表面的投影相等投影相等；3、表面、表面键长键长与体内键长与体内键长相近相近；4、垂直于表面的最上层与第二层的、垂直于表面的最上层与第二层的间距间距接近于体内的值，接近于体内的值，变动变动 小于小于5%。一些（较少）非紧密堆积的晶面，约有。一些（较少）非紧密堆积的晶面，约有5%-15%的缩短；的缩短；5、非紧密堆积的原子非紧密堆积的原子比紧密堆积的原子更比紧密堆积的原子更趋向于松弛趋向于松弛；6、有些晶面上、有些晶面上吸附原子后吸附原子后，表面和体内的，表面和体内的键

12、长差别减小键长差别减小甚至消甚至消 失（可能是表面断裂的键由于吸附杂质原子而获得恢复）。失（可能是表面断裂的键由于吸附杂质原子而获得恢复）。二、半导体表面结构二、半导体表面结构清洁的半导体表面，具有如下特点：清洁的半导体表面，具有如下特点：1、表面普遍发生、表面普遍发生重构现象重构现象；2、半导体表面结构具有各自稳定性的温度范围，、半导体表面结构具有各自稳定性的温度范围，温度太高或太低，表面会从一种结构转变为另温度太高或太低，表面会从一种结构转变为另一种结构；一种结构；实例实例1：Si（111）面附近劈裂面在不同温度下实时转面附近劈裂面在不同温度下实时转变状态的变状态的STM图像；图像；.实例

13、实例2：GaAs在（在（100）、（）、（111）、（）、（111）极性表极性表面面有大量重构发生，在（有大量重构发生，在（110）非极性表面非极性表面未发现重未发现重构现象。构现象。三、氧化物表面结构三、氧化物表面结构 对于氧化物表面，一般都出现对于氧化物表面，一般都出现重构现象重构现象，主要原，主要原因是非化学计量的诱导和氧化态变化造成的。因是非化学计量的诱导和氧化态变化造成的。实例实例：氧化态：氧化态TiO2，表面吸氧或脱氧，变成表面吸氧或脱氧，变成 Ti2O3、TiO等等.四、薄膜表面结构四、薄膜表面结构 对于薄膜表面，交换着原子、离子、电子、光子对于薄膜表面，交换着原子、离子、电子、

14、光子以及其它粒子，并决定薄膜一系列的光学、电学、磁以及其它粒子，并决定薄膜一系列的光学、电学、磁学、力学、生物学等性质。对于薄膜表面结构，受到学、力学、生物学等性质。对于薄膜表面结构，受到如下因素的影响：如下因素的影响：1、薄膜制备过程中的各种条件；、薄膜制备过程中的各种条件；2、基底材料种类与晶面；、基底材料种类与晶面；3、薄膜与基底之间的界面。、薄膜与基底之间的界面。所以，薄膜表面结构非常复杂。所以，薄膜表面结构非常复杂。实例实例：从金属薄膜的电子衍射花样（薄膜厚度不同可：从金属薄膜的电子衍射花样（薄膜厚度不同可以有弥散环、择优取向清锐环以及无择优取向清锐环以有弥散环、择优取向清锐环以及无

15、择优取向清锐环等）、等）、STM图像或图像或AFM图像等可说明。图像等可说明。1.4 固体的界面固体的界面界面：两相之间的接触面。如相界面、内界面、晶界等。界面类型界面类型从晶体学角度：从晶体学角度：平移界面平移界面孪晶界面孪晶界面反演界面反演界面从实用角度：从实用角度：气固界面气固界面半导体界面半导体界面薄膜界面薄膜界面超晶格界面超晶格界面一、界面类型一、界面类型1、平移界面、平移界面R 在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量移动一个位移矢量 。其间的界面称为平移界面。其间的界面称为平移界面。RA.P.BRSFA.P.B-等于

16、点阵矢量，称反相界面；SF-不等于点阵矢量，称层错。RR2、孪晶界面、孪晶界面3、混合界面、混合界面孪晶界面又称取向界面孪晶界面又称取向界面。孪晶界面与平移界面混合后的界面。孪晶界面与平移界面混合后的界面。4、反演界面、反演界面 当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着。反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着。I B左侧左侧右侧右侧二、界面的微观结构二、界面的微观结构 指晶粒间界的结构，是在晶体结晶过程中形成的，

17、指晶粒间界的结构，是在晶体结晶过程中形成的，存在于多晶材料中。晶界区的晶粒表面原子，由于受存在于多晶材料中。晶界区的晶粒表面原子，由于受到相邻晶粒势场的作用，这些原子将在晶界区重新排到相邻晶粒势场的作用，这些原子将在晶界区重新排列并达到平衡状态。列并达到平衡状态。晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶界晶界晶界原子排列示意图 据晶界结构相邻晶粒取向差别角度的大小，可分据晶界结构相邻晶粒取向差别角度的大小，可分为为小角晶界小角晶界和和大角晶界大角晶界。1、晶界原子排列的理论模型、晶界原子排列的理论模型自学 2、小角晶界、小角晶界两个相邻晶粒取向差别角度两个相邻晶粒取向差别角度 在在0-10之间。之间。较小的较小

18、的小角晶界可用小角晶界可用排列来说明。如下图排列来说明。如下图。小角倾转晶界示意图P54 图3、大角晶界、大角晶界 当两个相邻晶粒取向差别角度当两个相邻晶粒取向差别角度 超过超过15时为时为大角倾斜晶界大角倾斜晶界，此时晶界内位错密集，当此时晶界内位错密集，当 超过超过35时，位错覆盖整个界面时，位错覆盖整个界面。4、共格晶界、共格晶界 界面两边相邻晶粒的原子成一一对应的相互匹界面两边相邻晶粒的原子成一一对应的相互匹配关系。界面上的原子为相邻两个晶体所共有。配关系。界面上的原子为相邻两个晶体所共有。共有原子 相邻晶粒的面相邻晶粒的面间距差不多时，可间距差不多时，可完全共格；面间距完全共格；面间

19、距相差较大时，出现相差较大时，出现部分共格。部分共格。5、晶界能与晶界电势、晶界能与晶界电势晶界能晶界能：晶界处的界面能。：晶界处的界面能。晶界电势晶界电势：小角度范围（小角度范围（0处,则功函数为:)()1()(eJJlNENE)(NEJ)1(NEJ)(e-N个电子系统在胶体中的基态能量;-在同一胶体中(N-1)个电子系统的能量;-电子处在(-)处的静电能。式中:三个参数的表达式的求法：了解三、表面能三、表面能 定义：定义：在电子数保持不变的情况下，建立一个表面所需要的能量。其表达式求法：其表达式求法：金属表面系统的总能量减去体内的能量。表面能包括两部分：表面能包括两部分：静电表面能+（动能

20、、交换能及相关能）3.3 几种近似方法几种近似方法3.4 表面势与功函数的计算表面势与功函数的计算自学(了解了解)课程开放内容课程开放内容 请结合自己感兴趣的专业方向、或导师的研请结合自己感兴趣的专业方向、或导师的研究课题与方向、或自己未来可能的论文方向、或究课题与方向、或自己未来可能的论文方向、或以任意一种功能材料为对象，分析讨论其中可能以任意一种功能材料为对象，分析讨论其中可能涉及到的材料表面与界面的相关科学问题。涉及到的材料表面与界面的相关科学问题。（附图、照片、案例及解析等）（附图、照片、案例及解析等）1、要切题；、要切题；2、初查足够文献、初查足够文献选题（自命题）选题（自命题）-查

21、文献查文献整理文献整理文献-准备下笔；准备下笔；3、提纲、提纲-WORD文本文本-PPT制作；制作；4、WORD文本文本5000字以上，字以上，PPT稿稿12-18页页(24号字号字)，讲，讲10-12分钟；分钟；*不能将一篇学术文献全拿过来用；不能将一篇学术文献全拿过来用；*未达到要求的，要重来。未达到要求的，要重来。第四部分第四部分 半导体表面电子态半导体表面电子态表面态表面态界面态界面态表面电子传输表面电子传输半导体材料与器件的性质（例如：表面电导、热导、光学性质等）极大影响极大影响4.1 半导体表面准自由电子（半导体表面准自由电子（NFE）模型模型 半导体的基本特点半导体的基本特点：存

22、在一个将两个允许带（导带与价带）隔开的禁带禁带，它含有费米能级，以及存在一些体内不允许存在的表面态。采用周期性势场周期性势场，即假定每一个电子在的原子核势场原子核势场以及其他电子平均势场其他电子平均势场中运动，该势场具有与晶格相同的周期性。（不是。）胶体胶体(Jellium)模型模型：简单金属的价电子被共有化成电子气，与离子实的相互作用很小，因此，把价电子看成是在均匀连续分布均匀连续分布的正背景电荷中运动，即所谓的胶体模型。不再应用胶体模型不再应用胶体模型(见下页见下页)。胶体胶体(Jellium)模型模型：简单金属的价电子被共简单金属的价电子被共有化成电子气，与离子实有化成电子气，与离子实的

23、相互作用很小，因此，的相互作用很小，因此，把价电子看成是在均匀连把价电子看成是在均匀连续分布的正背景电荷中运续分布的正背景电荷中运动，即所谓的胶体模型。动，即所谓的胶体模型。一、窄禁带半导体表面态的形成一、窄禁带半导体表面态的形成1、一维单端突变势垒模型、一维单端突变势垒模型在模型中，体内势场延伸至Z=Z0处突然中断而形成真空能级。一维窄禁带半导体突变势垒模型Z=0Z=Z0CZ E02|Vg|表面表面表面体体内内半导体体内电子波函数的形式为：)21(exp)21(exp)(zgqizgqiz（1）代入薛定谔方程式，并应用简并态微扰法，可得到久期方程久期方程：)21(21gqEgVgV)21(2

24、1gqE0（2）并进一步得到：21)41()21(2121222gqgqVqgEg（3）g=2n/c,c为晶格常数，q为准动量。)2exp(1)(zLniLzn金属体内电子归一化波函数为：对上述（3）式，用禁带表示双能带函数关系如下图所示。窄禁带双能带半导体Eq色散关系图2121)2241(2)21(21gqgqgVqgEEqim=|Vg|=-|Vg|=0q=g/2禁带费米能级 上图分3段即2种情况：Eqim=|Vg|=-|Vg|=0q=g/2（1）当qg|Vg|时，即远离禁带，上式为：2)21(21qgE呈现抛物线的自由电子情况（兰色兰色）。（2）当qg|Vg|时，即在禁带附近，则电子能量可

25、近似写为：2122222)41()21(2121gqVgqEg为能量封闭线，把2个能带连在一起，构成一个连续谱（红色红色）。（4）（5）2121)2241(2)21(21gqgqgVqgE一维窄禁带半导体突变势垒模型Z=0Z=Z0CZ E02|Vg|表面窄禁带双能带半导体Eq色散关系图Eqim=|Vg|=-|Vg|=0q=g/2禁带费米能级二、窄禁带半导体表面区连续态的畸变二、窄禁带半导体表面区连续态的畸变三、典型半导体表面态能带的近似计算结果三、典型半导体表面态能带的近似计算结果自学2、一维单端光滑表面势垒模型、一维单端光滑表面势垒模型了解4.2 金属金属-半导体界面态半导体界面态金属-半导

26、体结的一维模型2|Vg|导带导带价带价带Z=Z0金属金属半导体半导体EF电荷密度或电势，见下页金属半导体两者相连金属半导体两者相连单端表面光滑势垒模型模型Z=0Z=LV(z)V(z)V一维窄禁带半导体突变势垒模型Z=0Z=Z0CZ E02|Vg|表面金属-半导体界面系统中半导体禁带范围内，表面能态密度为：dEdENENMSCM21)()(（6）进一步推导出：2122)(2121gVdEd（7）NM-SC（E）-|Vg|Vg|金属-半导体界面态密度（在半导体禁带范围内）由图可以看出，由图可以看出，界界面态密度面态密度在半导体禁带在半导体禁带范围内是连续分布的，范围内是连续分布的，且相对于禁带中心

27、对称。且相对于禁带中心对称。上述（7）式的典型的计算结果如下图示：21)22(2121gVdEd2|Vg|导带导带价带价带Z=Z0金属金属半导体半导体EF电荷密度或电势，见下页金属-半导体结的一维模型金属-半导体界面态密度（在半导体禁带范围内）NM-SC（E）-|Vg|Vg|一维窄禁带半导体突变势垒模型Z=0Z=Z0CZ E02|Vg|表面窄禁带双能带半导体Eq色散关系图Eqim=|Vg|=-|Vg|=0q=g/2禁带费米能级对比半导体半导体表面表面金属-半导体结的一维模型金属-半导体界面态密度（在半导体禁带范围内）NM-SC（E）-|Vg|Vg|2|Vg|导带导带价带价带Z=Z0金属金属半导

28、体半导体EF电荷密度或电势对比半导体半导体与金属与金属之间之间4.3 半导体表面空间电荷层及电子输运半导体表面空间电荷层及电子输运一、空间电荷层的性质一、空间电荷层的性质 对于对于块材料块材料，当处于电中性时，其费米能级应处于，当处于电中性时，其费米能级应处于禁带中某一禁带中某一确定的恰当位置确定的恰当位置。同样，当。同样，当表面表面处于电中性处于电中性时，其费米能级也应处于禁带中某一时，其费米能级也应处于禁带中某一确定的恰当位置确定的恰当位置。称后者为表面电中性能级称后者为表面电中性能级E0。一般情况下，表面一般情况下，表面E0与体内与体内EF并不一致，当表面与并不一致，当表面与体内达到体内

29、达到热平衡热平衡时，表面与体内有一个时，表面与体内有一个同一的费米能级同一的费米能级，这样就会引起表面与体内之间的电子转移。这样就会引起表面与体内之间的电子转移。如果如果E0EF，电子由表面输送到体内。电子由表面输送到体内。由于电子输送的结果，在表面和靠近表面的区域形由于电子输送的结果，在表面和靠近表面的区域形成成偶电层偶电层，即在近表面附近形成，即在近表面附近形成空间电荷层空间电荷层。体内体内表面表面EvEcEFEi非平衡态非平衡态体内体内表面表面EvEcEFEi平衡态平衡态半导体表面的能带 根据表面与体内的载流子密度（价带空穴根据表面与体内的载流子密度（价带空穴p，导带电子导带电子n）的大

30、小关系，空间电荷层分为三类：积累层、耗尽层和反型层。的大小关系，空间电荷层分为三类：积累层、耗尽层和反型层。体内表面EvEcEFEi体内表面EvEcEFEi体内表面EvEcEFEi积累层积累层耗尽层耗尽层反型层反型层N型型:nsnbP型型:pspbN型型:nsnb及及psnbP型型:pspb及及nsnbP型型:nspbE0EF，电子由电子由表面输送到体内表面输送到体内二、空间电荷层中的电子输运二、空间电荷层中的电子输运 用用表面电导率表面电导率与与表面迁移率表面迁移率表征表征。表面电导率表面电导率：描述体能带中载流子的输运特性，该：描述体能带中载流子的输运特性，该特性是由于表面附近的体能带弯曲

31、，引起过剩载流特性是由于表面附近的体能带弯曲，引起过剩载流子输运的结果。子输运的结果。表面迁移率表面迁移率：描述表面附近载流子（电子与空穴）的移：描述表面附近载流子（电子与空穴）的移动特性。动特性。第五部分第五部分 表面吸附表面吸附表面吸附是表面科学的重要内容。表面吸附是表面科学的重要内容。表面吸附：表面吸附：指处于气指处于气/液相的分子或原子与表面液相的分子或原子与表面的结合。这种结合可以是冷凝和物理吸附，也可以的结合。这种结合可以是冷凝和物理吸附，也可以是化学吸附。是化学吸附。5.1 吸附过程吸附过程一、物理吸附一、物理吸附1、指气体分子或原子被与之不同的物质所组成的表面指气体分子或原子被

32、与之不同的物质所组成的表面势阱势阱较浅较浅的力所捕获，是受的力所捕获，是受范德华力范德华力作用的结果；作用的结果；2、不需要激活能量的自发进行的过程，且、不需要激活能量的自发进行的过程，且可逆可逆；3、吸附过程中，、吸附过程中，放出的能量不大放出的能量不大，约，约20kJ/mol；4、吸附质点吸附质点性质无变化性质无变化。二、化学吸附二、化学吸附1、指气体分子或原子被与之不同的物质所组成的表面势阱指气体分子或原子被与之不同的物质所组成的表面势阱较深较深的力所捕获，是受的力所捕获，是受共价键力或离子键力作用共价键力或离子键力作用的结果；的结果；2、吸附过程、吸附过程不完全可逆不完全可逆；3、吸附

33、过程中，、吸附过程中，放出的能量与化学反应时放出的能量相当放出的能量与化学反应时放出的能量相当，约约40-240kJ/mol；4、吸附质点吸附质点性质有变化性质有变化，它分出了自己的电子来共同使用。，它分出了自己的电子来共同使用。5.2 吸附吸附-脱附动力学脱附动力学一、吸附和脱附的速率一、吸附和脱附的速率二、表面扩散动力学二、表面扩散动力学三、吸附促进脱附三、吸附促进脱附自学在任何材料表面，吸附与脱附同时进行。在任何材料表面，吸附与脱附同时进行。第六部分第六部分 薄膜与非晶的表面与界面特性薄膜与非晶的表面与界面特性薄膜薄膜：可以看成在可以看成在XY平面是无限的，而在平面是无限的，而在Z方向距

34、离是很小的固体。方向距离是很小的固体。因此，存在固体与气体（真空）界面即因此，存在固体与气体（真空）界面即表面表面、薄膜与基底材、薄膜与基底材料之间的料之间的界面界面。该表面与界面的结构对薄膜的特性有重大影响。该表面与界面的结构对薄膜的特性有重大影响。固体原子排列的两种极限情况：固体原子排列的两种极限情况：非晶状态非晶状态理想的单晶状态理想的单晶状态二者之间有许多过渡状态：二者之间有许多过渡状态：如：如：多晶状态多晶状态、多层状态多层状态等。等。6.1 薄膜与基底的作用薄膜与基底的作用按作用力大小，薄膜与基底的作用可分为按作用力大小，薄膜与基底的作用可分为2类类：1、弱的范德华力的作用弱的范德

35、华力的作用。此时薄膜与基底的作用视为微扰；。此时薄膜与基底的作用视为微扰；2、薄膜与基底之间有化合作用薄膜与基底之间有化合作用。强的吸附，使薄膜的结构与基。强的吸附，使薄膜的结构与基底关系密切底关系密切。二者由薄膜与基底之间的二者由薄膜与基底之间的界面特性界面特性来表征：并决定于薄膜与来表征：并决定于薄膜与基底之间的基底之间的结构结构。由于薄膜和基底都有不同的种类、结构与成分，。由于薄膜和基底都有不同的种类、结构与成分，因此，具有因此，具有多种多样的界面特性多种多样的界面特性，并有各种，并有各种不同的膜基相互作用不同的膜基相互作用。6.2 单晶薄膜单晶薄膜 在在晶格常数晶格常数a相近相近的情况

36、下，利用的情况下，利用外延生长外延生长沉膜技术，可以制备单晶薄膜。沉膜技术，可以制备单晶薄膜。分两种：分两种：1、同质同质外延生长薄膜技术；基底和薄膜为同种外延生长薄膜技术；基底和薄膜为同种元素。元素。2、异质异质外延生长薄膜技术。基底和薄膜为不同外延生长薄膜技术。基底和薄膜为不同元素。元素。6.3 多晶薄膜多晶薄膜一、多晶薄膜的晶粒间界一、多晶薄膜的晶粒间界 多晶薄膜中，单位体积中会有较多晶粒，存在大多晶薄膜中，单位体积中会有较多晶粒，存在大量晶界。量晶界。晶界区间占总体积的比例很大，且晶界结构对薄晶界区间占总体积的比例很大，且晶界结构对薄膜特性有重要影响。膜特性有重要影响。在在晶粒间界处晶

37、粒间界处，原子排列杂乱原子排列杂乱，缺陷密度较大缺陷密度较大，杂质富集杂质富集，从而影响薄膜中质量输运，产生，从而影响薄膜中质量输运，产生空间电荷空间电荷，形成形成界面能垒界面能垒，引起，引起界面能带弯曲界面能带弯曲，影响，影响载流子的传载流子的传输与复合输与复合。晶粒间界处于热力学晶粒间界处于热力学非平衡状态非平衡状态，其结构容易发，其结构容易发生改变，并进一步引起生改变，并进一步引起多晶薄膜特性的改变多晶薄膜特性的改变。2强度非晶态微晶态单晶态Fe的XRD谱二、晶界结构对薄膜特性的影响二、晶界结构对薄膜特性的影响实例，有选择的自学或了解包括电子特性、光学特性等。6.4 多层薄膜多层薄膜4层

38、膜层膜13层膜层膜40层膜层膜一、插层化合物一、插层化合物 多层膜可看成是层状物质。在每层内部，组成粒子间的相互作用强强，而层与层之间的相互作用弱弱，认为是范德华力的作用。1级2级3级4级234插层插层插层的影响：插层的影响：1、插层化合物形成时，电荷将发生转移，其插层化合物形成时，电荷将发生转移，其电子结电子结构构受插入物浓度影响；受插入物浓度影响；2、插层影响：、插层影响：插入物浓度低时插入物浓度低时，对能带结构影响不，对能带结构影响不大，插层影响表现为大，插层影响表现为费米能级费米能级的移动；的移动；当插入物浓当插入物浓度高度高时，时，能带结构和费米能级能带结构和费米能级都将有较大变化；

39、都将有较大变化；3、插入物浓度低插入物浓度低时，其电荷转移使载流子密度增加，时，其电荷转移使载流子密度增加，从而使电导率增加；当从而使电导率增加；当插入物浓度升高插入物浓度升高时，由于迁时，由于迁移率降低，电导率在达到极大值后稍有下降。移率降低，电导率在达到极大值后稍有下降。二、超晶格多层膜二、超晶格多层膜 超晶格多层薄膜的晶格结构对晶体的晶格振动、超晶格多层薄膜的晶格结构对晶体的晶格振动、光学特性以及磁学和力学特性都产生显著影响。光学特性以及磁学和力学特性都产生显著影响。超晶格薄膜通常由超晶格薄膜通常由晶格常数相近晶格常数相近而而禁带宽度不禁带宽度不同同的薄层交替组成，每层的薄层交替组成，每

40、层厚度范围从厚度范围从10到到100 量量级级，小于电子平均自由程和德拜长度小于电子平均自由程和德拜长度，但，但大于自然大于自然晶格常数晶格常数。6.5 非晶态非晶态一、非晶态的结构一、非晶态的结构1、微晶模型：非常小的晶粒组成。微晶模型：非常小的晶粒组成。2、硬球无规密堆模型：无规则多面体组成。如正四面、硬球无规密堆模型：无规则多面体组成。如正四面体、正八面体、三棱柱、阿基米德反棱柱、十二面体。体、正八面体、三棱柱、阿基米德反棱柱、十二面体。3、无规网络模型。、无规网络模型。二、非晶的电子态二、非晶的电子态1、仍可以用仍可以用单电子理论单电子理论（如前述）；（如前述）；2、也存在、也存在导带

41、导带和和价带价带，之间也有，之间也有禁带禁带；3、扩展态中载流子导电的机理扩展态中载流子导电的机理和和晶体中载流子的导电晶体中载流子的导电机理机理相似；相似；4、非晶中含有、非晶中含有大量缺陷大量缺陷，伴随有，伴随有悬挂键悬挂键，在缺陷附近，在缺陷附近会会形成定域态形成定域态。三、非晶的导电特性三、非晶的导电特性四、非晶态与晶态的相互转换四、非晶态与晶态的相互转换 存在存在禁带中的禁带中的定域态的导电和定域态的导电和扩展态扩展态及及尾部定尾部定域态域态的导电问题。即有三种态的不同的导电率。的导电问题。即有三种态的不同的导电率。非晶态非晶态-退火退火-晶态；晶态；晶态晶态-加热急冷或离子轰击加热

42、急冷或离子轰击-非晶态非晶态。基底（母材）薄，镀层为基底（母材）薄，镀层为Al-Zn，镀层中，镀层中间断裂，为什么？间断裂，为什么？示示 例例镀层镀层镀层镀层基底基底基底基底对接缝对接缝备样：备样：基底（母材）薄，镀层为基底（母材）薄，镀层为Al-Zn，金相腐蚀，金相腐蚀程度轻（未作重腐蚀程度）程度轻（未作重腐蚀程度）比比 较较差别？差别？样品样品1样品样品2样品样品1样品样品1样品样品2样品特征：基底（母材）薄，镀层为样品特征：基底（母材）薄，镀层为Al-Zn，金相腐蚀程度轻（未作重腐蚀程度）见见 Word 文档文档自学及讨论内容：自学及讨论内容：-表面分析方法表面分析方法XPS（ESCA）

43、、RBS、EDS、ISS、SAM（第1组）SIMS（SSIMS、DSIMS）、AES、LEED、EELS（第2组）STM、AFM、SPM、SEM（第3组）FTIR、Raman、XRD、TEM等（第4组）可以借书：Handbook of surface and interface analysis；Surface analysis(The principal Techniques)；等等。每个同学准备一种表每个同学准备一种表/界面分析的方法与技术。可界面分析的方法与技术。可按指定的，也可以自己另外补充或选择。（按指定的，也可以自己另外补充或选择。（PPT：10-15页，页，Word文本）文本）要

44、求如下：要求如下：1、包括分析原理与装置；、包括分析原理与装置；2、特点、优缺点；、特点、优缺点；3、适用范围；、适用范围；4、样品要求，分析中应注意的问题；、样品要求，分析中应注意的问题；5、分析范例（至少、分析范例（至少2个）。个）。在上述基础上，每组同学准备一类表面分析的方法与技在上述基础上，每组同学准备一类表面分析的方法与技术，内容要求同上。组内公开（术，内容要求同上。组内公开（15周、一起）准备，考验周、一起）准备，考验团队合作能力，并锻炼综合整理能力，完成团队合作能力，并锻炼综合整理能力，完成PPT（40-60 min）。组内随机抽同学讲。）。组内随机抽同学讲。第七部分第七部分 外

45、来粒子与表面的相互作用外来粒子与表面的相互作用外来粒子外来粒子：包括：包括电子、离子、光子、中性粒子及强电场电子、离子、光子、中性粒子及强电场。利用利用外来粒子外来粒子与表面作用后对表面产生的影响，以及与表面作用后对表面产生的影响，以及从表面散射或产生的新粒子的信息，可以分析从表面散射或产生的新粒子的信息，可以分析表面特性表面特性。这也是表面分析的理论基础。这也是表面分析的理论基础。表面特性表面特性：包括形貌、结构、组分、电子态等。：包括形貌、结构、组分、电子态等。以下重点介绍以下重点介绍电子电子与表面的作用。与表面的作用。7.1 电子与表面的作用电子与表面的作用一、电子散射一、电子散射单色能

46、量的电子束单色能量的电子束轰击轰击样品表面样品表面表面发出不同能量的出射电子表面发出不同能量的出射电子表面表面电子束电子束出射电子出射电子能量分布广（见后）能量分布广（见后）0eV-200eV出射（背散出射（背散射）电子能射）电子能量分布图量分布图（Ep=185 eV）I(E)E(eV)IIIIII出射电子能量分布曲线分为三个区：出射电子能量分布曲线分为三个区：I-窄峰窄峰，几个电子伏特宽，为，几个电子伏特宽，为弹性散射峰弹性散射峰，包含表面与近表面的，包含表面与近表面的结构信息，是低能电子衍射结构信息，是低能电子衍射(LEED)和反射式高能电子衍射和反射式高能电子衍射(RHEED)的研究对象

47、；的研究对象；III-宽峰宽峰，20-30电子伏特宽，是经过多次非弹性碰撞的电子伏特宽，是经过多次非弹性碰撞的次级电子次级电子，出射电子中大部分电子为该类电子；出射电子中大部分电子为该类电子；II-在在I和和III之间，是之间，是激发与电离损失的特征峰和俄歇电子峰激发与电离损失的特征峰和俄歇电子峰。100eV200eV0eV出射电子能量分布曲线形状的影响因素出射电子能量分布曲线形状的影响因素：初级电子束能量、入射角、初级电子束能量、入射角、出射电子的出射角、表面的物出射电子的出射角、表面的物理特征、表面清洁度、测量方理特征、表面清洁度、测量方法等。法等。下面对三个区域的特性进行讨论。下面对三个

48、区域的特性进行讨论。表面表面电子束电子束出射电子出射电子二、电子弹性散射（二、电子弹性散射（I峰）峰）电子具有波、粒二重性，经表面弹性散射，电电子具有波、粒二重性，经表面弹性散射，电子会产生衍射现象。子会产生衍射现象。1、电子衍射、电子衍射电子波长为：电子波长为：)(15021AVV为动能，单位为电子伏特。为动能，单位为电子伏特。当电子在材料表面发生散射时，电子可以被表层电子散射，穿当电子在材料表面发生散射时，电子可以被表层电子散射，穿透电子也可以被较深层原子散射。散射量的大小与原子种类、穿透透电子也可以被较深层原子散射。散射量的大小与原子种类、穿透深度等有关。深度等有关。理想表面理想表面电子

49、束电子束出射电子出射电子ad 2 3 4 1sinna2-4束之间束之间2cosndd2-3束之间束之间n1，n2=0，1，2，对于左图，电子从法线方向入射，对于左图，电子从法线方向入射，散散射束在下列条件时产生干涉现象：射束在下列条件时产生干涉现象：左图所示为低能电子衍射左图所示为低能电子衍射(LEED)的常用条件。的常用条件。a sina理想表面理想表面电子束电子束出射电子出射电子ad243上图所示为反射式高能电子衍射上图所示为反射式高能电子衍射(RHEED)的常用条件的常用条件。3coscosnaxan3=0，1，2，对于上图，电子从侧面掠射，对于上图，电子从侧面掠射，散射束在下列条件时

50、产生干涉现象：散射束在下列条件时产生干涉现象：2、低能（、低能（20eV）电子的弹性反射电子的弹性反射低能电子衍射低能电子衍射(LEED)常用电子能量范围：常用电子能量范围：20-300eV；反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射(RHEED)常用电子能量范围：常用电子能量范围：10-30KeV；而而20eV的电子弹性散射则有其特点：的电子弹性散射则有其特点：由于电子能量降低，穿透深度也降低，电子能量分布曲线中由于电子能量降低，穿透深度也降低，电子能量分布曲线中II区和区和III区逐渐消失。区逐渐消失。例如：入射电子能量为例如：入射电子能量为5-17eV时，在时，在BaO中只穿透中只穿透5个原子