薄膜制备与表面分析07概要.ppt

表面结构 ?? 引言 1877年吉布斯(J.W.Gibbs)首先提出“表面相”的概念，指出在气—固界面处存在一种二维的凝聚物质相，它的性质与固体体内有很大的差异。 由于固体只有通过其表面才能与周围的环境发生相互作用，这种表层的存在将对固体的物理化学特性有很大影响。 很多重要的应用课题，如金属的腐蚀与回火变脆、多相催化、材料的外延生长和表面电子器件等都和固体表面的状态有密切的关系。 表面结构 ??引言 通常所说的表面是指大块晶体的三维周期结构与真空之间的过渡区，它包括所有不具有体内三维周期性的原子层，一般是一个到几个原子层，厚度约为0.5~2 nm；表面结构指的就是表面上这一层原子的排列。 了解晶体上原子的排列情况是表面物化性质的基础，因此表面结晶学成为表面物理中首先要讨论的问题。 表面结构 ??表面结构分类 如果讨论的固体是没有杂质的单晶，则作为零级近似可将清洁表面想象成为一个“理想表面”，它是在无限晶体中插进一个平面后将其分成两部分形成的。 在这过程中除了对晶体附加了一组边界条件外没有其他任何变化。在半无限晶体内部，原子和电子的状态都和原来无限晶体中的情况一样。 表面结构 ??表面结构分类 由于在垂直表面方向上三维平移对称性被破坏，电子波函数在表面附近将发生变化，结果造成电子电荷密度的驰豫。它在表面层中形成一个新的自洽势，其主要特征是出现一个新的表面偶电层。 金属的这个偶电层有助于程形成表面势垒，从而阻止体内电子进入真空。 表面上的原子也有驰豫，它们偏离原来三维晶格时的平衡位置。 表面结构 ??表面结构分类 最简单的情况就是清洁金属表面顶层的原子向上或向下位移，导致表面弛豫。 对于许多共价半导体(如Ge, Si)和少数几种金属，情况更为复杂。由于表面上原子出现明显的驰豫，以致在平行表面的方向上的平移对称性与体内也有明显的不同，这种现象称为“表面重构” 。 表面结构 ??表面结构分类 Au, Pt的清洁(001)面与体内就很不一样，它们的顶层原子排列成密堆积的六角结构对称性； 而Ge, Si等共价半导体其(111)表面上的原子分布具有比体内大得多的周期。 真实晶体的清洁表面可以因垂直表面方向上的驰豫和平行表面方向上的重构等原因而形成另一种结晶相。 表面结构 ??表面结构分类 表面物理中经常研究的主要不是清洁表面，而是与固体表面和外来原子或分子的相互作用有关的一类现象，例如化学吸附，外延生长，氧化和多相催化等。 外来的其他原子可以是气相的，也可以是固体内部偏析(又称分凝)出来的,它们在固体表面上可以形成各种表面结构： 吸附一个单层的有序排列的原子； 外延生长出多层的有序结构； 吸附的原子与表面原子混合组成有序的表面合金或形成化合物。 表面结构 ??表面结构分类 气体在固体表面的吸附可分为物理吸附和化学吸附两大类。 物理吸附是吸附时吸附原子与衬底表面间的相互作用主要是范德瓦尔斯力，吸附热的数量级约为1千卡/摩尔。 很多惰性气体在金属表面上的吸附(如Xe在Ir上，Ar, Xe, Kr, Nb上的吸附)都属于这一类。 这种吸附对温度很敏感，它们往往是在低温下在表面上形成的密堆积的单层有序结构。 表面结构 ??表面结构分类 化学吸附有更大的吸附热，吸附原子与衬底表面的原子间形成化学键，它们可以是离子、金属或共价键。 化学吸附的外来原子基本上可以有以下两种结构： 吸附原子形成周期的粘附层迭在衬底顶部，形成 “迭层”； 吸附原子与衬底相互作用形成合金型的结构。 对于合金，表面若干层原子的二维周期性可能逐层改变，实际上存在一个组分与原排列随进入晶体的深度而改变的三维结构，因此比单一迭层的情况要复杂的多。 表面结构 ??表面结构分类 在切割晶体时如果偏离晶体解理面一个小角度，则在切得高密勒指数的表面上还可能出现有规则地分布着的台阶，形成所谓台阶表面。 这些台阶相当稳定，在一定条件下可以从实验上决定其宽度和高度。 人们发现对于Pt(111)面其催化活性与面上台阶有关，O, H等气体比较容易吸附在台阶上(而不是在平面 上)。对于一定的反应来说台阶的宽度和催化活性间存在一定的关系。 表面结构 ??表面结构分类 表面结构 ??二维晶体学 表面结晶学所要研究的是表面层上二维周期结构的元网格(简称元格)分形状和大小，元格中原子的数目与排列，以及表面元网格与衬底晶格的相对取向。 表面结构 ??二维晶体学 任何具有二维周期性的结构都可以用一个二维晶格或称为网格的点阵加上基元来描述。 这个网格是平面上的点子沿两个方向周期排列所形成的无限点阵，每个点子周围的情况(即原子的排列)都是相同的，这些点子就称为格点。 在每一格点附近相同的这种原子集合(或称原子集团)就称为基元，所以一个网格加上一个基元就唯一的确定了一个表面结