第01章 相平衡与界面相要点

1.1 相平衡与相变 1.1.1 特征函数 由于吉布斯自由能G是广延量，当系统的摩尔数发生 变化时，系统的G 也将发生变化。对于开系： dG = －SdT + VdP +μdn μ＝ ( ∂G/∂n )T,P 称为化学势，为等温等压条件下增加 1mol 物质时G 的增量。 又由于G是广延量，所以系统的G应具有以下性质： G ( T, P, n ) = n g ( T, P ) 所以： μ= g ( T, P ) 即μ为1mol 物质的吉布斯自由能g。
dG = －SdT + VdP dF = －SdT－PdV dH = TdS + VdP dU = TdS － PdV
这四个特征函数的自变量各不相同。
1.1 相平衡与相变 1.1.1 特征函数 薄膜的生长过程是相变过程。有相变发生就说明系统 没有达到平衡态，热力学过程正在进行。在热力学中判断 一个系统是否达到热平衡的热力学判据有三个，分别为： 1.熵判据； 2.自由能判据 3.吉布斯判据 它们所针对的对象( 系统 )各不相同。
参考书目
1. 热力学统计物理，汪志诚著，高等教育 出版社，1993年 2. 薄膜生长，吴自勤、王兵编著，科学出 版社，2001年 3. 近代半导体材料的表面科学基础，许振 嘉编著，北京大学出版社，2002年 4. Physics at Surface,Andrew Zangwill,世界 图书出版公司，2006年
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固溶体基本上为金属结合。正是由于金属结合的特点， 固溶体才不限于某一固定化学成分，而可以有一定的成分 范围。
1.3 固溶体的能量 1.3.1 固溶体分类 欲形成固溶体，则要求：1. 原子大小的差别不太大、 2. 原子电负性相接近。 代位式固溶体中两种原子大小的不同将引起溶入原子 附近原子排列发生畸变，使能量增高，不利于固溶体的形 成；若两种元素电负性相差较大，它们更倾向于以共价－ 离子键结合，而不利于形成固溶体。
薄膜与表面物理
课程简介
本课程是凝聚态物理和材料物理与化学专业硕士研究 生选修课程。 课程前半部分重点介绍材料表面有关知识、材料中 的缺陷及其形成过程和机制。后半部分介绍薄膜生长理论， 金属、半导体、氧化物薄膜的生长。最后介绍薄膜制备和 研究方法。 教学要求 通过本课程学习，希望大家了解现代半导体科学与技 术在表面和薄膜领域的发展，掌握材料表面与界面的有关 知识，掌握薄膜生长的理论与薄膜制备方法，了解薄膜研 究方法。
1.1 相平衡与相变
1.1.1 特征函数 熵判据： 对象：孤立系的平衡态。 一个系统在能量不变的条件下，对各种可能的虚变动， 平衡态的熵最大。 对一个虚变动，如： a) ∆S = 0，该状态为中性平衡状态( 平衡相变 )； b) ∆S < 0，有两种情况，第一种S只有一个极大值， 那么这个状态就是平衡态；第二种S的极大值不止一个， 那么其中最大的极大对应于稳定平衡态，其它较小的极大 对应于亚稳态。
1.3 固溶体的能量 1.3.1 固溶体分类 若溶入的溶质原子 (黑色)和溶剂原子(白色)排列在同 一晶格的格点上(图a)，则称为代位式固溶体。溶质原子在 格点上的分布是无规的，一般的固溶体多半是这种形式。 若溶入的溶质原子 (黑色)填入原来晶格的空隙(图b)， 则称为间隙式固溶体。但只有溶入原子较小(如Li＋半径为 0.068nm, C, H )时才可能形成这种固溶体。
1.1 相平衡与相变 1.1.1 特征函数 对单元系来说： dG = －SdT + VdP + μdn dF = －SdT －PdV + μdn dH = TdS + VdP + μdn dU = TdS － PdV + μdn
由熵判据可得单元复相系平衡时须满足的平衡条件为： 热平衡条件 Tα = T β 力学平衡条件 Pα = Pβ 相变平衡条件 μα = μβ
1.3 固溶体的能量 1.3.1 固溶体分类 无限固溶体(连续固溶体 )：两种元素可以无限地相互 溶解，随成分的改变，可以由一种纯元素连续地过渡到另 一种纯元素 ( 图1.2a )。 有限固溶体：两种元素的相互溶解都有一定的溶解度 ( 图1.2b )。 固溶体一般保 持原来的晶体结构， 溶入的原子可以取 下图中(a), (b)所示 的两种位置。
从固溶体的实验数据得出一经验规律：如原子半径差 大于 15%，则固溶度很差；如小于15%，有可能形成溶解 度较大的固溶体。
1.3 固溶体的能量 1.3.1 固溶体分类 固溶体第三种类型：缺位 式固溶体 ( 左图 ) ；半导体材料 中的空位和间隙原子(下图)。
1.3 固溶体的能量 1.3.2 固溶体的能量
1.1 相平衡与相变 1.1.1 特征函数 自由能判据： 对象：等温等容条件下系统的平衡态。 一个系统在等温等容条件下，对各种可能的虚变动， 平衡态的自由能最小。 同样有平衡态和亚稳态两种情况。 吉布斯自由能判据： 对象：等温等压条件下系统的平衡态。 一个系统在等温等压条件下，对各种可能的虚变动， 平衡态的吉布斯自由能最小。 也有平衡态和亚稳态两种情况。
薄膜与表面物理
第一章 相平衡与相界面
1.1 相平衡与相变 1.1.1 特征函数 薄膜和体材料一样也是一个热力学系统，因此其中的 物理过程遵从热力学的基本规律。 为研究系统运动规律，在热力学中，我们用四个特征 函数描述一个热力学系统，它们分别为：
G = U－TS + PV F = U－TS H = U + PV U = U ( S ,V )
1.1 相平衡与相变 1.1.2 相变分类 固相、液相和气相之间通过两相平衡曲线 (临界点除 外) 发生相变时，都存在相变潜热 L = T ( S β – S α) 和比容突变 ∆v = v β – v α 而且可能出现亚稳态，这类相变称为一级相变，其特 征为在相变点两侧的化学势连续，但化学势的一级偏导数 存在突变： μα( T, P ) =μβ( T, P ) ∂μα /∂T ≠∂μβ /∂T 即： Sα≠ Sβ ∂μα /∂P ≠∂μβ/∂P 即： vα≠ vβ