真空技术

《固体表面物理化学》

第二讲真空技术

2011/11/41

1、理想表面

没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面定义为一个理想表面。这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。

忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等。

这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。(图2 理想表面结构示意图)

2、清洁表面

•清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。真实的清洁表面与理想表面间主要存在如下不同：表面结构弛豫；表面结构重构；表面双电层。•根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。

c ）Ge(111)表面模型原子垂直压缩值1为0，2、3 为

0.22Å，4为0.46Å，5为0.15Å。

图4

台阶表面不同的压缩形式

（a ）均匀压缩（b ）边界原子压缩

下位移，称为表面弛豫。图5 弛豫表面示意图

图7 重构表面示意图

•晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经过4～6个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原子层范围。•另一方面，晶体表面的最外一层也不是一个原子级的平整表面，因为这样的熵值较小，尽管原子排列作了调整，但是自由能仍较高，所以清洁表面必然存在各种类型的表面缺陷。

示意图

3、吸附表面

吸附表面有时也称界面。它是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。

根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为四种吸附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附等。

清洁的表面

前面公式可改写为

F（atoms/cm2 sec） 2.63 1020P (Pa) / [M(g/mole)T]1/2 或

F（atoms/cm2 sec） 3.51 1022P (Torr) /[M(g/mole)T]1/2

假设P ＝4 10-4Pa = 3 10-6Torr，M = 28 g/mole (air)，T = 300 K,

F 1015molecules/cm2/sec。

因此，在几秒钟内，表面就会被覆盖上一层分子（假设每个分子撞击到表面后即被表面吸附），即表面在几秒钟内被污染。要想维持清洁的表面一个小时，则P约为10-7Pa或10-9Torr，这就必须要有超高真空条件。

表面气体暴露量，单位为Langmuir，定义为

1 Langmuir＝1 10-6Torr sec = 1.33 10-4Pa sec

相对覆盖度

气体在表面上被吸附的数量可以用相对覆盖度(coverage)来表示。假设在给定的条件下，单位面积的表面能够最大量吸附气（molecules/cm2），则当表面在给定的条件下体的数目为N

s

吸附N个分子时，表面相对覆盖度就表示为：

= N/N

s

相对覆盖度 总是小于1。在文献中，相对覆盖度常常被简称为覆盖度。

对于Pt(111)单晶表面，其表面原子浓度为1.5 1015atoms/ cm2。吸附单层水分子的最大量为1.05 1015molecules/ cm2。

任何固体材料的生长，都是在表面上进行的，由一维到二维到三维。表面化学反应也是在表面上进行的。所有这些过程的第一步，是必须将外来物种引导到表面进而着落在表面上。

这种在表面上将外来物种约束在表面的过程叫吸附(adsorption)，一般分为物理吸附和化学吸附，但两者没有严格的界限。被吸附的原子或分子被称为吸附质（adsorbate）。表面吸附永远是放热(exothermic)过程，否则没有吸附发生，这从能量的角度可以很容易了解的。

由于历史的原因，一般将吸附热 H

(heat of adsorption)取正号

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时表示放热反应，这与焓变 H正好相反，后者在放热时的符号为负，这是热力学的严格记法。

UHV SPM UHV STM PEEM多功能探针技术

第二章真空技术基础

❑真空的基本知识

❑稀薄气体的基本性质

❑真空的获得

❑真空的测量

真空程度的表示

分子密度：单位容积内的平均分子数，n（molecules/cm3）。

平均自由程：一个分子在其所处的环境中与其它分子发生两次

连续碰撞之间所走过的平均距离，λ.

单分子层形成的时间:指一个新解离的表面被一个分子厚度的

气体所覆盖的时间, τ。即σ＝F⋅τ，1 L

= 10-6Torr⋅sec = P(Torr) ⋅τ(sec)三者基本数据列表, 见图2.1。

Fig. 2. 1 Source: J. M. Lafferty

几个基本概念

气体对流现象消失，若在此情况下加热金属可以避免与气体化合；若加电场会产生导电现象。

容器中分子数很少，分子平均自由程大于一般容器的线度，分子流动为分子流，分子与容器壁碰撞为主，在此真空下蒸发材料，粒子将按直线飞行。

气体分子数更少，几乎不存在分子间碰撞，此时气体分子在固体表面上是以吸附停留为主。

dv v kT mv kT m 2222exp 24 麦克斯韦速度分布函数

22232exp 24v kT mv kT m

1. 最可几速率（速率极大值?）

速度分布

计算分子运动平均距离

计算分子平均动能

三者大小关系为：