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材料分析与表征课件
电子束表面结构分析
李正操
zcli@tsinghua.edu.cn
2006年11月17日
表面科学
材料的表面特性,包括结构、几何形状,吸附特性等等
的研究,具有重要的理论意义和广泛的应用前景,是目
前材料研究的热点之一。
现代表面科学研究表明,表面的性质往往和体相有着巨
大的差异,常呈现出许多特殊的物理化学性质,究其根
本原因在于表面原子原先在体相中的对称性和所处晶体
场环境的突然被破坏。
一个典型的例子是赖以支撑现代半导体工业的硅单晶,
其体相是绝缘的,而它的自然解理面(111)上的硅原
子层则变成半导体或金属性质的。
2
电子束表面结构分析
材料的表面结构和特性研究,需要特定的分析表
征技术,如:AES,XPS,UPS,LEED,RHEED,等
等。这些分析测试技术大多需要UHV系统。
主要介绍常用的电子束表面结构分析技术:
低能电子衍射(Low Energy Electron Diffraction, LEED)
反射式高能电子衍射(Reflective High-Energy Electron
Diffraction, RHEED)
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表面结构
1877年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。
4
表面结构
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-
2nm;表面结构指的就是表面上这一层原子的排列。
5
表面结构⎯⎯理想表面
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。
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表面结构⎯⎯驰豫
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。
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。
Surface Relaxation
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表面驰豫是能量最低化的要求
Unrelaxed Surface
驰豫不改变平行于表
面的周期性
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