表面扩散

表面扩散

是指原子、离子、分子以及原子团在固体表面沿表面方向的运动。当固体表面存在化学势梯度场，扩散物质的浓度变化或样品表面的形貌变化时，就会发生表面扩散。

表面原子是在周期势中断的平面上移动，因而，表面扩散与体内扩散固然有许多相同之处，但也有自身特点。主要是扩散率高，在晶须生长实验中，观察到的表面扩散率高达1厘米2/秒,这已与气相扩散过程相近，表面扩散过程与表面的取向有关，用场离子显微镜观察到单个铼原子在铱的(111)、(113)平台上的异质表面扩散激活能分别为0.52eV及1.17eV，差别很大；表面状态如吸附物质的存在，也会强烈影响表面扩散。

热振动能量的涨落可能使表面原子获得足够的能量克服表面势垒，变成近邻位置上的吸附原子，这是最简单的完整晶体表面自扩散。在实际晶体表面上存在各种类型的缺陷，根据表面条件，表面原子可以在平台上或沿台阶移动；表面原子也可填充到表面空位上，引起空位的迁移；或发生更加复杂的扩散过程。

研究表面扩散的实验方法主要是放射性示踪、物质传递、场离子显微镜及场发射等技术。人们运用这些实验方法测定表面扩散系数,用以研究表面动力学过程,确定表面势。表面扩散与烧结、晶体生长、薄膜工艺、蠕变等密切相关。但对表面扩散过程机理的了解有待深入。

表面物理学

发展极为迅速的领域。

表面物理学是固体表面附近的几个原子层内具有许多异于体内的

对称性质。表面物理学研究在超高真空下（10-10～10-11Torr），这

几个原子层内原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来

原子或分子以及在表面几个原子层内的外来杂质的电子状态和其

他物理性质。实验上是通过电子束、离子束、原子束、光子、热、

电场和磁场等与表面的相互作用而得到有关表面结构、表面电子

态、吸附物的品种、结合的类型和成键的取向等信息。例如：由

于偏析造成化学成分与体内不同，原子排列情形不同，表明能吸

附外来原子或分子形成有序或无序的覆盖层等

表面物理学-内容

表面结构

理想的晶体表面具有二维周期性，其单位网格由基矢a1和a2决定,根据对称性的要求，可能形成的二维单位网格有五种，如图1所示，这五种格子常称为二维布喇菲格子。由于表面原子受力的情况与体内不同,或由于有外来原子的吸附，最表面层原子常会有垂直于或倾斜

于表面的位移，表面下的数层原子也会有相应的垂直或横向位移，因而表面单位网格的基矢

b1和b2与理想的表面不同，这种现象称为表面再构,如果表面原子只有垂直于表面的运动，则称为表面弛豫。表面结晶学的主要研究内容是弄清b1、b2与a1、a2之间的关系。如

b1=p a1,b2=q a2,p和q都是整数，常用下述符号来描写晶体表面结构 R(hkl) p×q,式中R是元素的符号，(hkl)代表密勒指数是hkl的晶面。如果再构是由吸附物A引起的，则可用符号 R(hkl)p×q－A或 A/R(hkl)p×q。

如果表面和衬底单位网格的基矢并不平行，b1与a1、b2与a2之间有相同的夹角α,则常用下述符号来标志表面的再构 R(hkl)p×q－α。

要定量地研究表面，必须获得表面所有原子的坐标信息，为此早期采用的实验方法是低能电子衍射(LEED)。把能量在5～500eV范围的电子沿近于正入射的方向射向晶体表面，通过在荧光屏上观察到的衍射点可以获得有关表面的单位网格的信息。对若干衍射斑点记录斑点强度随电子能量变化的曲线（I-V线）,并对实验结果用根据一定的几何构形计算的理论曲线加以拟合，从而定出原子在单位网格中的位置，这就是LEED结晶学研究表面结构的方法。利用这种方法，研究了许多清洁金属表面的弛豫和再构、金属表面上的吸附、半导体表面的弛豫和再构等。图2给出目前研究得最清楚的而且认识比较一致的 GaAs(110)表面的结构。在表面上的砷原子向外弛豫，而镓原子则向内移动，表面的As-Ga键与无弛豫的表面的As-Ga 键之间有一个夹角为ω1的倾斜。由于电子在晶体表面的多重散射增加了LEED结晶学在理论分析上的复杂性。此外，也可用中能电子衍射(MEED)和高能电子衍射 (RHEED)来研究表面结构。

(SEXAFS)是近年来发展起来的研究

表面结构的另一手段。当吸附在衬

底 S上的原子A吸收X 射线后，从

芯态发射的光电子可受到周围原子

的散射，出射电子波与散射电子波

之间有干涉作用形成有起伏的末

态。这个有起伏的末态使X 射线吸

收的几率在吸收边后有振荡现象，

振荡的幅度与周期包含了吸附原子

A的近领数及其和周围原子所形成

的键长的信息。键长确定的准确度

达±0.03┱。利用能量为 60meV

的氦原子在固体表面的弹性散射可

以研究衬底和吸附层的周期性结

构。足够强的原子束和表面的强相

互作用，使这种探测方法具有相当高的灵敏度。探测深度只有3～4┱,衍射峰的强度主要取

决于氦原子和表面原子的相互作用势，如何确定与实际情况最接近的势是当前的一个困难问

题。

将能量在0.1～3MeV的 He+或 H+离子束准直沿着晶轴入射，由于离子束首先遭到晶轴第一个

原子的散射,入射离子的轨迹形成一个影锥。由于入射波束的波长远小于点阵常数，可把散

射过程看作似弹性碰撞，通过测量在影锥中的原子的散射可以测定第一层原子的位移。

表面成分

表面成分的确定是表面研究中的另一重要课题。利用原子芯态能级的位置和原子的质量这两

个特征可以确认原子的类别。

X 射线光电子谱(XPS)是通过测量入射X射线打出表面外的光电子的动能E k来确定芯态能级

的位置E b,从而定出原子的类型及其与周围原子成键的信息。芯态能量E b和入射光子能量啚

ω，出射光电子动能E k之间的关系为

φs是功函数（图3）。在固体表面上，E b的数值随着与周围原子成键的情况而有所移动，利

用这种“化学位移”可以得到有关成键的信息。