固体物理第九章

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偏离三维周期性结构 表面组分与材料内部不同
1. 理想表面
这是一种理论上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。
偏析或分凝是指合金表面组分与块 体不一样的现象,在表面可能某一组 分偏富,也可能偏贫。例如含铬的不 锈钢表面铬组分偏富,金属镍含有微 量铜也富集于表面。
一.固体材料与气体的界面
1. 理想表面 2. 清洁表面
(1)台阶表面 (2)弛豫表面 (3)重构表面 (4)吸附表面 (5)偏析表面 3. 实际表面
学、热振动;
4
确定表面原子位置。
探测物质结构的方法对比:
LEED
AFM
XRD
STM
SEM
XRD原理:
让X射线通过晶体,通过计算便能提供晶 体内原子排布的信息。
TiO2薄膜的XRD图谱
STM原理:
利用探针以及一维遂穿效应和微扰原理 对表面形貌分析。
SEM原理:
用一束极细的电子束扫描样品,图像为立 体形象。显示微形貌、孔隙大小、晶界和团 聚程度等。
第九章 固体的表面和界面
9.1表面原子结构
9.1.1表面二维晶格 9.1.2二维倒格子 9.1.3伍德符号 9.1.4低能电子辐射 9.1.5弛豫、重构和偏析
9.1表面原子结构
表面原子处于一种非对
1
称环境
表面原子进入新的平 2
衡位置
3 形成独特的依附于块体材
料二维结构
9.1.1表面二维晶格
表面原子结构具 有二维的双周期 性,需要不共线 的两个独立矢量 来表示它的周期 性。二维布拉维 点阵,又称二维 布拉维格子。
b1=2π(a2×n)/A b2=2π(n×a1)/A A=|a1×a2|为二维元格面积 n是垂直于二维平面的单位矢量但无量纲
例如:Cu
a1 2e1
a2
2a
1 2
e1
3 2
e2
b1 2 (a2e3) 2 ( 1 e2 3 e1)
A
a2 2
b2 2 (e3 a1) 2 2 e2
A
图2.1.1 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。
由于表面排列突然发生中断,表面原子 受力(化学键)情况发生变化,总效应是增大 体系的自由能。
(1)弛豫
由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断, 表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移, 称为表面弛豫。
50年代,人们开始研究气体在单晶表面的吸附现象。
30年代后,人们开始了低能电子衍射方面的研究
1921年 Davisson 和Germer研究了电子束在单晶表面的散射现象。
低能电子衍射测量步骤
①把单一低能量的(E=5ev~500ev)电子束, 以接近于垂直的方向投射到具有完整晶格结构 的晶体清洁表面上
②一部分电子以相干散射的形式反射到 真空中,形成的衍射束
③衍射束进入可移动的接收器,再进行 强度测量,或者再被加速至荧光屏, 给出可观察的衍射图像。
低能衍射基本装置
低能电子衍射实验装置图
基本结构图:衍射电子可用两种不同的接收器来探测, 一种用法拉第接收器,另一种用屏幕显示。
LEED的基本用途 1 表面结晶学及微观结构; 2 表面相鉴定吸附、偏析、结构重组; 3 表面动态过程的分析长大动力
输入文本
形成表面晶格 吸附物质的化
学符号。
Ni 001 2 2 45 S
Ni 001 C 2 2 S
9.1.4低能电子衍射
低能电子衍射简称LEED,是一种用 低能量电子束测定晶体表面原子结构、 研究单晶表面层原子排列的实验技术。
发展
如今,LEED成为表面实验研究的标准手段。 70年代开始,对表面结构进行研究。
b.缺列型重构
表面周期性的缺失原子列形成的重
构。具有面心立方结构的Ir、Pt、 Au等晶体,它们的(110)表面每隔一列 原子失去一列原子,形成(1×2)重构现 象。
B.硅(111)-7×7重构
• 半导体的化学键具有高度的方向性, 产生某个表面必然要切断原来穿过该晶面 的化学键,使它们变成悬挂键,为尽可能 减少表面悬挂键的数目,半导体表面会发 生重构。
(3)偏 析
不论表面进行多么严格的清洁处理,总 有一些杂质由体内偏析到表面上来,从而使 固体表面组成与体内不同,称为表面偏析。 在表面某一组分可能偏富,也可能偏贫。
图2.1.4 弛豫表面示意图
(2)重构
重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于 体内,但垂直方向的层间距则与体内相同。
as
a
d0 d0
图2.1.6 重构表面示意图
A.金属表面重构的类型
a.位移型重构
位移型重构并不减少表面的原子数,但显著 地改变表面原子的排列方式。通常,位移型重构 发生在共价键晶体或有较强共价成分的混合键晶 体中。
a3
9.1.3伍德符号
用来描述实际晶体表面的二维结构, 这种描述的前提是假定表面原子与块 体中原子处于相同点阵中不同的格点
9.1.3 伍 德 符 号
表示该表面所在 晶面的米勒指数
as1与a1之间的夹 角
R ( h k l ) p × q -α- D
表示基底材料 晶体的化学符 号
p和q分别为表面实际 的二维晶格基矢 as1=pa1,as2=pa2
AFM原理:
由显微探针受力的大小就可以直接换算出 样品表面的高度,从而获得样品表面形貌的信 息。无法精确测定表面二维结构的有关参数。
小 结:源自文库
①伍德符号的书 写
②LEED的测试方法 以及其与其他探测 方法的比较
9.1.5弛豫、重构和偏析
由于固体表面上原子配位数减少,所以 处于表面上的原子缺少相邻的原子,会失去 三维结构状态下原子之间作用力的平衡。这 样,那些处于表面上的原子,必然要发生驰 豫,以寻求新的平衡位置,因而会发生重构 以降低表面的能量。
二维原胞又称 为元格。元格是 一个平行四边形, 其相应两条边线 对应的矢量为a1 和a2就是二维点 阵的基矢
二维点阵中任一格点的格矢:
T=n1a1+n2a2
9.1.2二维倒格子
二维倒格子就是由二维倒格矢 Kh=h1b1+h2b2形成的倒格点的阵列。
ai与bj满足ai·bj=2πδij(i,j=1、2)
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