固体表面分析-南大朱建华.pdf

固 体 表 面 分 析 （硕士研究生课程） 朱建华 南京大学化学化工学院 2007 年 3 月 1 本课程将介绍一些常见固体表面分析技术的原理，并讲解一些具有代表性的表面分析仪 器的结构；着重介绍表面分析近代波谱手段在催化研究中的应用，掌握一些波谱分析的 基础知识。 主要参考书： [1]. 《表面分析》，华中一、罗维昂编著，复旦大学出版社，1989 年第二版。 [2]. 《表面化学与多相催化》，吴清辉编著，化学工业出版社，1991 年。 [3]. 《固体表面化学》，丁莹如、秦关林编著，上海科技出版社，1988 年。 [4]. 《表面分析技术》，陆家和编著，电子工业出版社，1987 年。 2 第一章 绪论 1-1 表面科学及其应用 表面科学是当前国际上最活跃的学科之一，涉及到物理、化学、生物、材料等领域， 每年发表数以千计的论文。它有三个特点：（1 ）理论性很强。（2 ）解决非常实际的问题。 （3 ）与高新技术发展的关系最密切。 长期以来，人们认为固体的表面与体相是完全相同的，以为只要研究了固体物质的 整体性质就可以知道它的表面性质。当越来越多的事实证明了这种看法是错误的之后， 表面科学才得以产生。 广义地讲，“表面科学”研究表面以及与表面有关的过程，包括宏观的与微观的过 程。几十年来，表面科学从原子水平来认识和说明表面粒子的化学、几何排列、运动状 态及电子态等性质及其与表面宏观性质的联系，推动了基础研究和新技术的发展。例如， 大规模集成电路是由厚度小于 1 微米的半导体、金属膜和绝缘体所组成，具有很复杂的 图案和结构，并要求很高的纯度和掺入确定数量的杂质。由于表面科学提供了测定表面 原子成份和排列的技术，使用“分子束外延”法创造若干原子层厚的半导体，精度在 1-2 原子层，制成高质量的微波器件和集成光学器件。 表面科学家多年来一直在寻求下列问题的答案：什么是表面区？表面在哪里？表面 相有多深？表面是“真正的”还是“清洁的”？研究各种表面需要什么样的真空度和/ 或热环境？表面的化学成份如何？表面上吸附了多少气体？吸附的速度有多快？吸附 粒子和表面之间有什么反应？它和表面成份和结构又有什么关系？是什么力量引起吸 附？吸附位置是怎样分布的？表面平衡时的形貌是什么样的？ 然而，解决这些问题必须依靠先进的表面分析手段。例如，二十世纪六十年代根据 LEED 花样的重复性推测是干净的表面，但是根据 AES 的测定却发现这个推测是错误 的；经过除气和化学还原等简单处理的表面曾被权威人士认定为是“脏的”，可现在又 被证明为是“干净的”。 什么是表面？从固体物理学中，我们知道理想晶体是一种被称之为“原胞”的结构 单位在三维空间中重复排列而形成的一个无限 “连续体”。原胞可以只含一个原子如 Fe 、 Cu、Ag 等，也可以包含上万个原子如蛋白质晶体。然而，实际存在的各种物质并不是 无限连续的，它们都有尽头。这个尽头就是在不同物质的交界处，即所谓“界面”，包 括固- 固、固-液、固-气、液-液、液-气界面。 物体与真空或空气的界面称为表面。我们着重研究固体表面。固体表面有时指表面 的第一原子层，有时指上面的几个原子层，有时甚至指厚度达几个微米的表面层。阅读 具体的文献时要注意区分各个作者所给出的不同定义。 表面究竟有哪些特殊之处？表面分析又要完成哪些任务？ 首先必须记住，固体表面的物理化学性质通常不同于体内，因为表面是固体的终结。 [1].在热力学平衡的条件下，表面的化学组成、原子排列、原子振动状态常常和体相 不同。 合金有表面偏析或分凝(Segregation)。含铬不锈钢的表面往往有铬偏析，其表面含 3 铬量可高达体相的七倍。例如一个铝合金含 2.5%的镁，对样品进行化学分析时并没有 发现 C 和 O 的存在；但是 AES 分析却发现它的表面上只有 C 、O、Mg 而没有 Al ，经 过 Ar 枪轰击 10 分钟后才出现铝谱。有些化合物的表面组分和体相也不一样，例如