表面与界面的结构特点.pdf

表面与界面的结构特点 通常所说的表面是指块状晶体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，一般是几个原子层，厚度约为5~20Å。表面结构指的是表面上这一 层原子的排列。 理想(解理)表面是一种理论的结构完整的二维点阵平面[1]，它是一个只反映晶体内部周 期性在其表面突然终止的真实表面的最粗糙近似[2]。实际/真实表面是指经过一定加工处理 (切割、研磨、抛光、清洗等) ，保持在常温常压(低真空或高温)下的表面[3]。 清洁表面是指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一 系列物理化学效应的表面[1]；所谓清洁表面是指经过特殊处理(如离子轰击加退火、解理、 外延、场效应蒸发等)后，保持在超高真空(10-9 Torr)下的表面[3]。清洁表面可以获得，但清 洁程度则由处理方法和超高真空情况来决定。即使在超高真空下，清洁表面仍吸附一层外来 原子。为减小表面处原子排列周期性突然中断形成的表面能，原子排列必须作出相应的调整。 对于晶体，经过4~6 层后，原子排列与体内已相当接近，这个距离可以看作是实际清洁表面 的范围[3]。清洁表面结构的特征是表面驰豫和重构/再构。 吸附表面，或称界面，是指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点所构成的表面。 表面原子在某一方向失去相邻原子而导致偏离平衡位置的现象称为驰豫(relaxation) 。因 为驰豫主要发生在垂直表面方向，故又称纵向驰豫。驰豫可以发生在表面以下几个原子层的 范围。原子的驰豫可分为：压缩效应、弛张效应、起伏效应和双电层效应[1]。压缩效应的 常见于金属晶体表面，其驰豫一般不超过晶格常数的5~15%，如Al(110) 、Fe(100) 、Mo(100) 、 Ge(111)等，其中fcc 结构(100)层间距的纵向驰豫很小而(110)的较大，Mo(100)层间距收缩约 11~12%，是晶体中收缩最多的一种，而其它bcc 的(100)层间距变化很小难以检测，这点还 没有明确解释[2]；弛张效应多出现在金属晶体及其化合物表面，如 Al(111)层间距扩张 2% 或更小，但这是一个值得注意的反常变化，可能包含未知的机理[2]；起伏效应多见于Ge、 Si 等具有金刚石结构的晶体表面，如Ge(111)、GaAs(110)等形成高低不平的表面；双电层效 应常见于离子晶体及离子化合物表面，如LiF 、NaCl 、SiO 和Al O 等晶面，形成上、下两 2 2 3 个子层。 许多半导体和少数金属的表面，原子排列比较复杂。在平行衬底表面(即理想表面)方向 上，原子平移对称性与体内有明显变化，这种表面结构称为重构/再构(reconstruction)[3, 4] 。 亦有人认为：由于表面驰豫使原子脱离正常的点阵位置，表面原子进行重新排列形成的不同 于体内正常点阵的新结构，称为再构表面[1, 2]。表面再构也发生在表面下几个原子层范围， 但最明显的再构现象只表现在表面最外层上。 再构/重构和吸附表面的表示方法有两种：Wood 标记法[1-3]和矩阵标记法(不作介绍) 。 若基体/衬底网格为T＝n a ＋n a ，表面网格为T ＝n a ＋n a ，(其中a 为各自网格基矢) ， 1 1 2 2 s 1 s1 2 s2 i 则表面的Wood 标记为： a a s 1 s 2 R (hkl) × −α−D ， a a 1 2 其中R 为衬底元素，(hkl)为衬底表面密勒指数，α 为里昂对基矢之间夹角，D 为表面或吸附 ( ) 0 的元素。如Si(111) − 3 × 3 −30 −Ag ，它表示Si(111)-Ag 表面基矢增大为 3 倍并转 动30 °。当再构表面为有心长方结构时，可以用“C ”表示有心结构，如C(2 ×1)等。Si(111) 的再构表面有三种：在25 ℃真空解理为2 ×1 结构，在350℃退火后变为7 ×