表面物理与表面化学.第2章.pdf

第2章 表面动力学 第2章 表面动力学 第一章讨论了静态表面原子状态，末涉及表面原子的动态规 第一章讨论了静态表面原子状态，末涉及表面原子的动态规 律，所以只能是实际表面的近似模型。表面结构，将由于表面缺 律，所以只能是实际表面的近似模型。表面结构，将由于表面缺 陷，表面扩散等现象而偏离理想表面。表面原子运动，对表面结 陷，表面扩散等现象而偏离理想表面。表面原子运动，对表面结 构及性质有较大的影响，所以具有重要的理论价值和实际意义， 构及性质有较大的影响，所以具有重要的理论价值和实际意义， 成为表面物理研究中的基本内容。 成为表面物理研究中的基本内容。 本章将从表面动力学角度，讨论表面原子的动态性质，包括 本章将从表面动力学角度，讨论表面原子的动态性质，包括 表面振动与表面波、表面热缺陷及表面扩散等原子迁移过程以及 表面振动与表面波、表面热缺陷及表面扩散等原子迁移过程以及 晶界中的有关过程。 晶界中的有关过程。 2.1 表面振动模 2.1 表面振动模 晶体表面原子在平衡位置的微振动，具有简谐振动模式。由 晶体表面原子在平衡位置的微振动，具有简谐振动模式。由 于表面结构属于晶体点阵畸变，其表面势场区别于体内正常的周 于表面结构属于晶体点阵畸变，其表面势场区别于体内正常的周 期性势场，表面原子振动频率也不周于三维无限晶体的格波频谱。 期性势场，表面原子振动频率也不周于三维无限晶体的格波频谱。 因此，表面振动只局限在表面层，称为“表面振动模”或简称“表 因此，表面振动只局限在表面层，称为“表面振动模”或简称“表 面模”。 面模”。 晶体表面具有无限的二维周期性点阵结构，因此表面模在平 晶体表面具有无限的二维周期性点阵结构，因此表面模在平 行晶面方向的传播具有平面波性质。在垂直于晶体表面的方向， 行晶面方向的传播具有平面波性质。在垂直于晶体表面的方向， 由于体内原子间的耦合情况与表面原子不同，而且表面耦合作用 由于体内原子间的耦合情况与表面原子不同，而且表面耦合作用 随深度迅速改变导致表面波在体内方向的迅速衰减，成为迅衰波。 随深度迅速改变导致表面波在体内方向的迅速衰减，成为迅衰波。 -8 对于波长小于10-8cm(=1埃=0.1nm)的表面波，晶体的点阵结构 对于波长小于10 cm(=1埃=0.1nm)的表面波，晶体的点阵结构 明显地影响表面振动性质，须用晶格动力学理论来讨论表面模； 明显地影响表面振动性质，须用晶格动力学理论来讨论表面模； -8 对于波长大于10-8cm的表面波，可把晶体作为连续介质，运用连 对于波长大于10 cm的表面波，可把晶体作为连续介质，运用连 续介质模型讨论。 续介质模型讨论。 2.1.1 半无限原子链点阵振动 2.1.1 半无限原子链点阵振动 三维晶体中格波的讨论，以一 三维晶体中格波的讨论，以一 维点阵振动为基础。现在同样以 维点阵振动为基础。现在同样以 一维点阵振动来讨论二维晶体中 一维点阵振动来讨论二维晶体中 的表面波，不同的是，前者属于 的表面波，不同的是，前者属于 “无限”原子链，作为晶体体内点列，具有无限排列特点；后者属 “无限”原子链，作为晶体体内点列，具有无限排列特点；后者属 于“半无限”原子链，是终止于表面的点列。半无限原子链模型点 于“半无限”原子链，是终止于表面的点列。半无限原子链模型点 列，其一端向体内无限伸延,另一端终止于晶体表面；如图3.1.1 ， 列，其一端向体内无限伸延,另一端终止于晶体表面；如图3.1.1 ， (a)为无限单原子链，(b)为半无限单原子链。 (a)为无限单原子链，(b)为半无限单原子链。 1.半无限单原子链振动方程 先讨论一维单原子点阵的振动方 1.半无限单原子链振动方程 先讨论一维单原子点阵的振动方 程。只考虑相邻原子之间的相互作用，忽略远程相互作用。相邻 程。只考虑相邻原子之间的相互作用，忽略远程相互作用。相邻 原子之间的耦合系数以β表示；原子位移以x 表示，正方向由 原子之间的耦合系数以β表示；原子位移以x 表示，正方向由