材料表面與界面---研究生教案

1、材料表面與界面材料表面與界面Surface and Interface in Materials授課教師：授課教師： 陳陳 俊俊 英英開課單位：開課單位： 材材 料料 學(xué)學(xué) 院院授課對象：授課對象： 碩碩 士士 研研 究生究生課程編號課程編號: 0831001203a課程學(xué)分課程學(xué)分: 2學(xué)分學(xué)分教學(xué)方式教學(xué)方式: 講授、研討、自學(xué)講授、研討、自學(xué)教學(xué)要求與目的教學(xué)要求與目的：掌握目前掌握目前關(guān)于材料表面與界面關(guān)于材料表面與界面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的基本理論結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的基本理論；掌握近代材料表面改性；掌握近代材料表面改性與分析的基本方法；了解材料表面與界面的研究與分析的基本方法；了解材料表面與界面的研究

2、動向。動向。材料學(xué)、材料加工工程、材料學(xué)、材料加工工程、材料物理化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程材料物理化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程適用專業(yè)適用專業(yè):課程主要內(nèi)容：課程主要內(nèi)容：一、材料表面與界面的結(jié)構(gòu)一、材料表面與界面的結(jié)構(gòu)二、材料表面振動二、材料表面振動三、材料表面電子態(tài)三、材料表面電子態(tài)（金屬、半導(dǎo)體）（金屬、半導(dǎo)體）四、材料表面吸附四、材料表面吸附五、薄膜與非晶的表面與界面特性五、薄膜與非晶的表面與界面特性六、外來粒子與表面的相互作用六、外來粒子與表面的相互作用七、材料表面與界面的分析方法七、材料表面與界面的分析方法課程教材及主要參考書：課程教材及主要參考書：1、孫大明等編著，固體的表面與界面，安徽教育孫大明

3、等編著，固體的表面與界面，安徽教育出版社，出版社，19962、朱履冰主編，表面與界面物理，天津大學(xué)出版、朱履冰主編，表面與界面物理，天津大學(xué)出版社，社，19923、李恒德，肖紀美，材料表面與界面，清華大學(xué)、李恒德，肖紀美，材料表面與界面，清華大學(xué)出版社，出版社，1990課程教學(xué)計劃（共課程教學(xué)計劃（共16講）：講）：教學(xué)方式教學(xué)方式: 講授、研討講授、研討 * 、自學(xué)、自學(xué)* 時間比重：時間比重： 50%、30%、20%講次安排：講次安排： 8講、講、 5講、講、 3講講考查方式：考試考查方式：考試60%+報告報告40%* *: : 按方向分題，多個議題，要求每人準備稿件、做報告并按方向分題，

4、多個議題，要求每人準備稿件、做報告并上交稿件；上交稿件；* * *: : 要求了解該領(lǐng)域最新概況，寫讀書筆記或報告；要求了解該領(lǐng)域最新概況，寫讀書筆記或報告；* * * *：討論稿討論稿+ +讀書筆記。讀書筆記。第一部分第一部分 材料表面與界面的結(jié)構(gòu)材料表面與界面的結(jié)構(gòu)1.1 固體的表面固體的表面一、理想表面一、理想表面d內(nèi)部內(nèi)部表面表面理想表面示意圖理想表面示意圖理論上結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面。理論上結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面。理論前提：理論前提：1、不考慮晶體內(nèi)部周期性不考慮晶體內(nèi)部周期性勢場勢場在晶體表面在晶體表面中斷的影響；中斷的影響；2、不考慮表面原子的、不考慮表面原子的熱運動熱運動、熱擴

5、散熱擴散、熱熱缺陷缺陷等；等；3、不考慮、不考慮外界外界對表面的物理對表面的物理-化學(xué)作用等；化學(xué)作用等；4、認為體內(nèi)原子的位置與結(jié)構(gòu)是無限周期、認為體內(nèi)原子的位置與結(jié)構(gòu)是無限周期性的，則表面原子的位置與結(jié)構(gòu)是半無限性的，則表面原子的位置與結(jié)構(gòu)是半無限的，與體內(nèi)完全一樣。的，與體內(nèi)完全一樣。二、清潔表面二、清潔表面不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴散等物理散等物理-化學(xué)效應(yīng)的表面?；瘜W(xué)效應(yīng)的表面。1、臺階表面臺階表面 - 表面不是平面，由規(guī)則或不規(guī)則臺階組成。（表面的化學(xué)組成與體內(nèi)相同，但結(jié)構(gòu)可以不同于體表面的化學(xué)組成與體內(nèi)相同，但結(jié)構(gòu)可以不同于體內(nèi)）內(nèi)）晶面1（

6、平面）晶面3 （連接面）晶面2 （立面）清潔表面可分為三種清潔表面可分為三種： 臺階表面、弛豫表面臺階表面、弛豫表面 、重構(gòu)表面、重構(gòu)表面 2、弛豫表面：弛豫表面：指表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之間的指表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之間的垂直間距垂直間距ds和體內(nèi)原子層間距和體內(nèi)原子層間距d0相比有所膨相比有所膨脹和壓縮的現(xiàn)象?？赡苌婕皫讉€原子層。脹和壓縮的現(xiàn)象?？赡苌婕皫讉€原子層。ds內(nèi)部內(nèi)部表面表面d03、重構(gòu)表面重構(gòu)表面：指表面原子層在水平方向上的周期性不指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但在垂直方向上的層間間距同于體內(nèi)，但在垂直方向上的層間間距d0與體內(nèi)相同。與體內(nèi)相同。d

7、0內(nèi)部內(nèi)部表面表面d0三、吸附表面三、吸附表面在清潔表面上有來自體內(nèi)擴散到表面的雜在清潔表面上有來自體內(nèi)擴散到表面的雜質(zhì)和來自表面周圍空間吸附在表面上的質(zhì)質(zhì)和來自表面周圍空間吸附在表面上的質(zhì)點所構(gòu)成的表面。點所構(gòu)成的表面。吸附表面可分為四種吸附位置吸附表面可分為四種吸附位置： 頂吸附、橋吸附頂吸附、橋吸附 、填充吸附、中心吸附、填充吸附、中心吸附 頂吸附頂吸附橋吸附橋吸附填充吸附填充吸附中心吸附中心吸附俯視圖俯視圖剖面圖剖面圖四、表面自由能四、表面自由能 在建立新表面時，鄰近原子將丟失，鍵被在建立新表面時，鄰近原子將丟失，鍵被切斷，因此，必須對系統(tǒng)作功；切斷，因此，必須對系統(tǒng)作功； 同樣，在一

8、定溫度和壓力下，并保持平衡同樣，在一定溫度和壓力下，并保持平衡條件，若增加表面能，系統(tǒng)也必須作功。條件，若增加表面能，系統(tǒng)也必須作功。對所有單組分的系統(tǒng)，表面總的自由能改變?yōu)椋簩λ袉谓M分的系統(tǒng)，表面總的自由能改變?yōu)椋篸AVdpSdTdGG-表面自由能； S-熵； T-溫度V-體積； p-壓力； -表面張力； A-表面積五、表面偏析五、表面偏析 雜質(zhì)由體內(nèi)偏析到表面，使多組分材料體系的雜質(zhì)由體內(nèi)偏析到表面，使多組分材料體系的表面組成與體內(nèi)不同。表面組成與體內(nèi)不同。將偏析與表面張力聯(lián)系起來：將偏析與表面張力聯(lián)系起來：(1) 若若 2 1, 表面張力較小的組分將在表面上偏析表面張力較小的組分將在表

9、面上偏析(富集富集);(2) 若若 2= 1, 不存在表面偏析。不存在表面偏析。1.2 表面二維結(jié)構(gòu)表面二維結(jié)構(gòu)平面平面 二維二維 格點陣列格點陣列 二維格子示意圖二維格子示意圖格點格點 格點可以是一個原子（即格點可以是一個原子（即Bravais布喇菲布喇菲格子）；格子）； 格點也可以是原子團；格點也可以是原子團；二維格子中任意格點的位矢：二維格子中任意格點的位矢：bmanTab、為二維格子的基矢。為二維格子的基矢。也是原胞的兩條邊。也是原胞的兩條邊。 二維格子的數(shù)目是有限的，實際上只有二維格子的數(shù)目是有限的，實際上只有5種種Bravais格子，即格子，即斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，

10、其基矢如下：斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下：名名 稱稱格子符號格子符號基矢關(guān)系基矢關(guān)系晶晶 系系斜形斜形方形方形六角形六角形矩形矩形中心矩形中心矩形PPPPCa b， 90，任任意意a=b， =90a=b， =120a b， =90a b， =90斜形斜形正方正方六角六角矩形矩形矩形矩形二維二維Miller指數(shù)指數(shù)Miller指數(shù)指數(shù)標記二維晶格中平行晶列的各種取向。如（hkl） 注意與晶面指數(shù)晶面指數(shù)的區(qū)別。？表面結(jié)構(gòu)命名法表面結(jié)構(gòu)命名法Wood命名法22 矩陣命名法自學(xué)1.3 常見的表面結(jié)構(gòu)常見的表面結(jié)構(gòu)一、金屬表面結(jié)構(gòu)一、金屬表面結(jié)構(gòu) 目前已確定有目前已確定有100多種

11、表面結(jié)構(gòu)。以下主要介紹多種表面結(jié)構(gòu)。以下主要介紹金屬表面金屬表面結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)、氧化物表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)、氧化物表面結(jié)構(gòu)以及以及薄膜表面結(jié)構(gòu)薄膜表面結(jié)構(gòu)。 清潔的金屬表面，低能電子衍射（清潔的金屬表面，低能電子衍射（LEED）研研究表明具有如下特點：究表明具有如下特點：1、其、其Miller指數(shù)面的表面單胞指數(shù)面的表面單胞多為（多為（1 1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)；2、表面、表面單胞單胞與體內(nèi)單胞在表面的與體內(nèi)單胞在表面的投影相等投影相等；3、表面、表面鍵長鍵長與體內(nèi)鍵長與體內(nèi)鍵長相近相近；4、垂直于表面的最上層與第二層的、垂直于表面的最上層與第二層的間距間距接近于體內(nèi)的值，接近于體內(nèi)的值

12、，變動變動 小于小于5%。一些（較少）非緊密堆積的晶面，約有。一些（較少）非緊密堆積的晶面，約有5% - 15% 的縮短；的縮短；5、非緊密堆積的原子非緊密堆積的原子比緊密堆積的原子更比緊密堆積的原子更趨向于松弛趨向于松弛；6、有些晶面上、有些晶面上吸附原子后吸附原子后，表面和體內(nèi)的，表面和體內(nèi)的鍵長差別減小鍵長差別減小甚至消甚至消 失（可能是表面斷裂的鍵由于吸附雜質(zhì)原子而獲得恢復(fù)）。失（可能是表面斷裂的鍵由于吸附雜質(zhì)原子而獲得恢復(fù)）。二、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)二、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)清潔的半導(dǎo)體表面，具有如下特點：清潔的半導(dǎo)體表面，具有如下特點：1、表面普遍發(fā)生、表面普遍發(fā)生重構(gòu)現(xiàn)象重構(gòu)現(xiàn)象；2、半導(dǎo)體表

13、面結(jié)構(gòu)具有各自穩(wěn)定性的溫度范圍，、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)具有各自穩(wěn)定性的溫度范圍，溫度太高或太低，表面會從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱頊囟忍呋蛱停砻鏁囊环N結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)；一種結(jié)構(gòu)；實例實例1：Si（111）面附近劈裂面在不同溫度下實時轉(zhuǎn)面附近劈裂面在不同溫度下實時轉(zhuǎn)變狀態(tài)的變狀態(tài)的STM圖像；圖像；.實例實例2：GaAs在（在（100）、（）、（111）、（）、（111）極性表極性表面面有大量重構(gòu)發(fā)生，在（有大量重構(gòu)發(fā)生，在（110）非極性表面非極性表面未發(fā)現(xiàn)重未發(fā)現(xiàn)重構(gòu)現(xiàn)象。構(gòu)現(xiàn)象。三、氧化物表面結(jié)構(gòu)三、氧化物表面結(jié)構(gòu) 對于氧化物表面，一般都出現(xiàn)對于氧化物表面，一般都出現(xiàn)重構(gòu)現(xiàn)象重構(gòu)現(xiàn)象，主要原，

14、主要原因是非化學(xué)計量的誘導(dǎo)和氧化態(tài)變化造成的。因是非化學(xué)計量的誘導(dǎo)和氧化態(tài)變化造成的。實例實例：氧化態(tài)：氧化態(tài)TiO2，表面吸氧或脫氧，變成表面吸氧或脫氧，變成 Ti2O3、 TiO等等 .四、薄膜表面結(jié)構(gòu)四、薄膜表面結(jié)構(gòu) 對于薄膜表面，交換著原子、離子、電子、光子對于薄膜表面，交換著原子、離子、電子、光子以及其它粒子，并決定薄膜一系列的光學(xué)、電學(xué)、磁以及其它粒子，并決定薄膜一系列的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)等性質(zhì)。對于薄膜表面結(jié)構(gòu)，受到學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)等性質(zhì)。對于薄膜表面結(jié)構(gòu)，受到如下因素的影響：如下因素的影響：1、薄膜制備過程中的各種條件；、薄膜制備過程中的各種條件；2、基底材料種類與

15、晶面；、基底材料種類與晶面；3、薄膜與基底之間的界面。、薄膜與基底之間的界面。所以，薄膜表面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。所以，薄膜表面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。實例實例：從金屬薄膜的電子衍射花樣（薄膜厚度不同可：從金屬薄膜的電子衍射花樣（薄膜厚度不同可以有彌散環(huán)、擇優(yōu)取向清銳環(huán)以及無擇優(yōu)取向清銳環(huán)以有彌散環(huán)、擇優(yōu)取向清銳環(huán)以及無擇優(yōu)取向清銳環(huán)等）、等）、STM圖像或圖像或AFM圖像等可說明。圖像等可說明。1.4 固體的界面固體的界面界面：兩相之間的接觸面。如相界面、內(nèi)界面、晶界等。界面類型界面類型從晶體學(xué)角度：從晶體學(xué)角度：平移界面平移界面孿晶界面孿晶界面反演界面反演界面從實用角度：從實用角度：氣固界面氣固界面半導(dǎo)體界

16、面半導(dǎo)體界面薄膜界面薄膜界面超晶格界面超晶格界面一、界面類型一、界面類型1、平移界面、平移界面R 在結(jié)構(gòu)相同的晶體中，一部分相對于另一部分平滑在結(jié)構(gòu)相同的晶體中，一部分相對于另一部分平滑移動一個位移矢量移動一個位移矢量 。其間的界面稱為平移界面。其間的界面稱為平移界面。RA.P.BRSFA.P.B - 等于點陣矢量，稱反相界面；SF - 不等于點陣矢量，稱層錯。RR2、孿晶界面、孿晶界面3、混合界面、混合界面孿晶界面又稱取向界面孿晶界面又稱取向界面。孿晶界面與平移界面混合后的界面。孿晶界面與平移界面混合后的界面。4、反演界面、反演界面 當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)由中心對稱向非中心對稱轉(zhuǎn)變時，當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)由中心對

17、稱向非中心對稱轉(zhuǎn)變時，由反演操作聯(lián)系起來的兩個疇之間形成反演界面由反演操作聯(lián)系起來的兩個疇之間形成反演界面IB。反演界面兩側(cè)點陣相同，但通過一個反演中心聯(lián)系著。反演界面兩側(cè)點陣相同，但通過一個反演中心聯(lián)系著。I B左側(cè)左側(cè)右側(cè)右側(cè)二、界面的微觀結(jié)構(gòu)二、界面的微觀結(jié)構(gòu) 指晶粒間界的結(jié)構(gòu)，是在晶體結(jié)晶過程中形成的，指晶粒間界的結(jié)構(gòu)，是在晶體結(jié)晶過程中形成的，存在于多晶材料中。晶界區(qū)的晶粒表面原子，由于受存在于多晶材料中。晶界區(qū)的晶粒表面原子，由于受到相鄰晶粒勢場的作用，這些原子將在晶界區(qū)重新排到相鄰晶粒勢場的作用，這些原子將在晶界區(qū)重新排列并達到平衡狀態(tài)。列并達到平衡狀態(tài)。晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶界

18、晶界晶界原子排列示意圖 據(jù)晶界結(jié)構(gòu)相鄰晶粒取向差別角度的大小，可分據(jù)晶界結(jié)構(gòu)相鄰晶粒取向差別角度的大小，可分為為小角晶界小角晶界和和大角晶界大角晶界。 1、晶界原子排列的理論模型、晶界原子排列的理論模型自學(xué) 2、小角晶界、小角晶界兩個相鄰晶粒取向差別角度兩個相鄰晶粒取向差別角度 在在0-10之間。之間。 較小的較小的小角晶界可用小角晶界可用排列來說明。如下圖排列來說明。如下圖。小角傾轉(zhuǎn)晶界示意圖P54 圖3、大角晶界、大角晶界 當(dāng)兩個相鄰晶粒取向差別角度當(dāng)兩個相鄰晶粒取向差別角度 超過超過15時為時為大角傾斜晶界大角傾斜晶界，此時晶界內(nèi)位錯密集，當(dāng)此時晶界內(nèi)位錯密集，當(dāng) 超過超過35時，位錯覆

19、蓋整個界面時，位錯覆蓋整個界面。4、共格晶界、共格晶界 界面兩邊相鄰晶粒的原子成一一對應(yīng)的相互匹界面兩邊相鄰晶粒的原子成一一對應(yīng)的相互匹配關(guān)系。界面上的原子為相鄰兩個晶體所共有。配關(guān)系。界面上的原子為相鄰兩個晶體所共有。共有原子 相鄰晶粒的面相鄰晶粒的面間距差不多時，可間距差不多時，可完全共格；面間距完全共格；面間距相差較大時，出現(xiàn)相差較大時，出現(xiàn)部分共格。部分共格。5、晶界能與晶界電勢、晶界能與晶界電勢晶界能晶界能：晶界處的界面能。：晶界處的界面能。晶界電勢晶界電勢： 小角度范圍（小角度范圍（ 0處,則功函數(shù)為:)() 1()(eJJlNENE)(NEJ) 1(NEJ)(e-N個電子系統(tǒng)在膠

20、體中的基態(tài)能量;-在同一膠體中(N-1)個電子系統(tǒng)的能量;-電子處在(-)處的靜電能。式中:三個參數(shù)的表達式的求法：了解三、表面能三、表面能 定義：定義：在電子數(shù)保持不變的情況下，建立一個表面所需要的能量。 其表達式求法：其表達式求法：金屬表面系統(tǒng)的總能量減去體內(nèi)的能量。表面能包括兩部分：表面能包括兩部分：靜電表面能+（動能、交換能及相關(guān)能）3.3 幾種近似方法幾種近似方法3.4 表面勢與功函數(shù)的計算表面勢與功函數(shù)的計算自學(xué)(了解了解)課程開放內(nèi)容課程開放內(nèi)容 請結(jié)合自己感興趣的專業(yè)方向、或?qū)煹难姓埥Y(jié)合自己感興趣的專業(yè)方向、或?qū)煹难芯空n題與方向、或自己未來可能的論文方向、或究課題與方向、或

21、自己未來可能的論文方向、或以任意一種功能材料為對象，分析討論其中可能以任意一種功能材料為對象，分析討論其中可能涉及到的材料表面與界面的相關(guān)科學(xué)問題。涉及到的材料表面與界面的相關(guān)科學(xué)問題。 （附圖、照片、案例及解析等）（附圖、照片、案例及解析等）1、要切題；、要切題；2、初查足夠文獻、初查足夠文獻選題（自命題）選題（自命題）-查文獻查文獻整理文獻整理文獻-準備下筆；準備下筆；3、提綱、提綱-WORD文本文本-PPT制作；制作；4、 WORD文本文本5000字以上，字以上， PPT稿稿12-18頁頁(24號字號字)，講，講10-12分鐘；分鐘； *不能將一篇學(xué)術(shù)文獻全拿過來用；不能將一篇學(xué)術(shù)文獻全

22、拿過來用； *未達到要求的，要重來。未達到要求的，要重來。第四部分第四部分 半導(dǎo)體表面電子態(tài)半導(dǎo)體表面電子態(tài)表面態(tài)表面態(tài)界面態(tài)界面態(tài)表面電子傳輸表面電子傳輸半導(dǎo)體材料與器件的性質(zhì)（例如：表面電導(dǎo)、熱導(dǎo)、光學(xué)性質(zhì)等）極大影響極大影響4.1 半導(dǎo)體表面準自由電子（半導(dǎo)體表面準自由電子（NFE）模型模型 半導(dǎo)體的基本特點半導(dǎo)體的基本特點：存在一個將兩個允許帶（導(dǎo)帶與價帶）隔開的禁帶禁帶，它含有費米能級，以及存在一些體內(nèi)不允許存在的表面態(tài)。 采用周期性勢場周期性勢場，即假定每一個電子在的原子核勢場原子核勢場以及其他電子平均勢場其他電子平均勢場中運動，該勢場具有與晶格相同的周期性。（不是。） 膠體膠體(

23、Jellium)模型模型：簡單金屬的價電子被共有化成電子氣，與離子實的相互作用很小，因此，把價電子看成是在均勻連續(xù)分布均勻連續(xù)分布的正背景電荷中運動，即所謂的膠體模型。不再應(yīng)用膠體模型不再應(yīng)用膠體模型(見下頁見下頁)。 膠體膠體(Jellium)模型模型： 簡單金屬的價電子被共簡單金屬的價電子被共有化成電子氣，與離子實有化成電子氣，與離子實的相互作用很小，因此，的相互作用很小，因此，把價電子看成是在均勻連把價電子看成是在均勻連續(xù)分布的正背景電荷中運續(xù)分布的正背景電荷中運動，即所謂的膠體模型。動，即所謂的膠體模型。一、窄禁帶半導(dǎo)體表面態(tài)的形成一、窄禁帶半導(dǎo)體表面態(tài)的形成1、一維單端突變勢壘模型、

24、一維單端突變勢壘模型在模型中，體內(nèi)勢場延伸至Z=Z0處突然中斷而形成真空能級。一維窄禁帶半導(dǎo)體突變勢壘模型Z=0Z=Z0CZ E02|Vg| 表面表面表面體體內(nèi)內(nèi)半導(dǎo)體體內(nèi)電子波函數(shù)的形式為：)21(exp)21(exp)(zgqizgqiz（1）代入薛定諤方程式，并應(yīng)用簡并態(tài)微擾法，可得到久期方程久期方程：)21(21gqEgVgV)21(21gqE0（2）并進一步得到：21)41()21(2121222gqgqVqgEg（3）g=2n/c, c為晶格常數(shù)，q為準動量。)2exp(1)(zLniLzn金屬體內(nèi)電子歸一化波函數(shù)為： 對上述（3）式，用禁帶表示雙能帶函數(shù)關(guān)系如下圖所示。窄禁帶雙能

25、帶半導(dǎo)體Eq色散關(guān)系圖2121)2241(2)21(21gqgqgVqgEEqim=|Vg|=-|Vg|=0q=g/2禁帶費米能級 上圖分3段即2種情況：Eqim=|Vg|=-|Vg|=0q=g/2（1）當(dāng)qg |Vg |時，即遠離禁帶，上式為：2)21(21qgE呈現(xiàn)拋物線的自由電子情況（蘭色蘭色）。（2）當(dāng)qg |Vg |時，即在禁帶附近，則電子能量可近似寫為：2122222)41()21(2121gqVgqEg為能量封閉線，把2個能帶連在一起，構(gòu)成一個連續(xù)譜（紅色紅色）。（4）（5）2121)2241(2)21(21gqgqgVqgE一維窄禁帶半導(dǎo)體突變勢壘模型Z=0Z=Z0CZ E02

26、|Vg| 表面窄禁帶雙能帶半導(dǎo)體Eq色散關(guān)系圖Eqim=|Vg|=-|Vg|=0q=g/2禁帶費米能級二、窄禁帶半導(dǎo)體表面區(qū)連續(xù)態(tài)的畸變二、窄禁帶半導(dǎo)體表面區(qū)連續(xù)態(tài)的畸變?nèi)?、典型半?dǎo)體表面態(tài)能帶的近似計算結(jié)果三、典型半導(dǎo)體表面態(tài)能帶的近似計算結(jié)果自學(xué)2、一維單端光滑表面勢壘模型、一維單端光滑表面勢壘模型了解4.2 金屬金屬-半導(dǎo)體界面態(tài)半導(dǎo)體界面態(tài)金屬-半導(dǎo)體結(jié)的一維模型2|Vg|導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶Z=Z0金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體EF電荷密度或電勢，見下頁金屬半導(dǎo)體兩者相連金屬半導(dǎo)體兩者相連單端表面光滑勢壘模型模型Z=0Z=LV(z)V(z)V一維窄禁帶半導(dǎo)體突變勢壘模型Z=0Z=Z0CZ E02|

27、Vg| 表面金屬-半導(dǎo)體界面系統(tǒng)中半導(dǎo)體禁帶范圍內(nèi)，表面能態(tài)密度為：dEdENENMSCM21)()(（6）進一步推導(dǎo)出：2122)(2121gVdEd（7）NM-SC（E）-|Vg|Vg|金屬-半導(dǎo)體界面態(tài)密度（在半導(dǎo)體禁帶范圍內(nèi)） 由圖可以看出，由圖可以看出，界界面態(tài)密度面態(tài)密度在半導(dǎo)體禁帶在半導(dǎo)體禁帶范圍內(nèi)是連續(xù)分布的，范圍內(nèi)是連續(xù)分布的，且相對于禁帶中心對稱。且相對于禁帶中心對稱。上述（7）式的典型的計算結(jié)果如下圖示：21)22(2121gVdEd2|Vg|導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶Z=Z0金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體EF電荷密度或電勢，見下頁金屬-半導(dǎo)體結(jié)的一維模型金屬-半導(dǎo)體界面態(tài)密度（在半導(dǎo)體禁帶

28、范圍內(nèi)）NM-SC（E）-|Vg|Vg|一維窄禁帶半導(dǎo)體突變勢壘模型Z=0Z=Z0CZ E02|Vg| 表面窄禁帶雙能帶半導(dǎo)體Eq色散關(guān)系圖Eqim=|Vg|=-|Vg|=0q=g/2禁帶費米能級對比半導(dǎo)體半導(dǎo)體表面表面金屬-半導(dǎo)體結(jié)的一維模型金屬-半導(dǎo)體界面態(tài)密度（在半導(dǎo)體禁帶范圍內(nèi)）NM-SC（E）-|Vg|Vg|2|Vg|導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶Z=Z0金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體EF電荷密度或電勢對比半導(dǎo)體半導(dǎo)體與金屬與金屬之間之間4.3 半導(dǎo)體表面空間電荷層及電子輸運半導(dǎo)體表面空間電荷層及電子輸運一、空間電荷層的性質(zhì)一、空間電荷層的性質(zhì) 對于對于塊材料塊材料，當(dāng)處于電中性時，其費米能級應(yīng)處于，當(dāng)處于

29、電中性時，其費米能級應(yīng)處于禁帶中某一禁帶中某一確定的恰當(dāng)位置確定的恰當(dāng)位置。同樣，當(dāng)。同樣，當(dāng)表面表面處于電中性處于電中性時，其費米能級也應(yīng)處于禁帶中某一時，其費米能級也應(yīng)處于禁帶中某一確定的恰當(dāng)位置確定的恰當(dāng)位置。稱后者為表面電中性能級稱后者為表面電中性能級E0。 一般情況下，表面一般情況下，表面E0與體內(nèi)與體內(nèi)EF并不一致，當(dāng)表面與并不一致，當(dāng)表面與體內(nèi)達到體內(nèi)達到熱平衡熱平衡時，表面與體內(nèi)有一個時，表面與體內(nèi)有一個同一的費米能級同一的費米能級，這樣就會引起表面與體內(nèi)之間的電子轉(zhuǎn)移。這樣就會引起表面與體內(nèi)之間的電子轉(zhuǎn)移。 如果如果E0EF，電子由表面輸送到體內(nèi)。電子由表面輸送到體內(nèi)。 由于

30、電子輸送的結(jié)果，在表面和靠近表面的區(qū)域形由于電子輸送的結(jié)果，在表面和靠近表面的區(qū)域形成成偶電層偶電層，即在近表面附近形成，即在近表面附近形成空間電荷層空間電荷層。體內(nèi)體內(nèi)表面表面EvEcEFEi非平衡態(tài)非平衡態(tài)體內(nèi)體內(nèi)表面表面EvEcEFEi平衡態(tài)平衡態(tài)半導(dǎo)體表面的能帶 根據(jù)表面與體內(nèi)的載流子密度（價帶空穴根據(jù)表面與體內(nèi)的載流子密度（價帶空穴p，導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子n）的大小關(guān)系，空間電荷層分為三類：積累層、耗盡層和反型層。的大小關(guān)系，空間電荷層分為三類：積累層、耗盡層和反型層。體內(nèi)表面EvEcEFEi體內(nèi)表面EvEcEFEi體內(nèi)表面EvEcEFEi積累層積累層耗盡層耗盡層反型層反型層N型型: n

31、snbP型型: pspbN型型: nsnb及及psnbP型型: pspb及及nsnbP型型: nspbE0EF，電子由電子由表面輸送到體內(nèi)表面輸送到體內(nèi)二、空間電荷層中的電子輸運二、空間電荷層中的電子輸運 用用表面電導(dǎo)率表面電導(dǎo)率與與表面遷移率表面遷移率表征表征。表面電導(dǎo)率表面電導(dǎo)率：描述體能帶中載流子的輸運特性，該：描述體能帶中載流子的輸運特性，該特性是由于表面附近的體能帶彎曲，引起過剩載流特性是由于表面附近的體能帶彎曲，引起過剩載流子輸運的結(jié)果。子輸運的結(jié)果。表面遷移率表面遷移率：描述表面附近載流子（電子與空穴）的移：描述表面附近載流子（電子與空穴）的移動特性。動特性。第五部分第五部分 表

32、面吸附表面吸附表面吸附是表面科學(xué)的重要內(nèi)容。表面吸附是表面科學(xué)的重要內(nèi)容。 表面吸附：表面吸附：指處于氣指處于氣/液相的分子或原子與表面液相的分子或原子與表面的結(jié)合。這種結(jié)合可以是冷凝和物理吸附，也可以的結(jié)合。這種結(jié)合可以是冷凝和物理吸附，也可以是化學(xué)吸附。是化學(xué)吸附。5.1 吸附過程吸附過程一、物理吸附一、物理吸附1、指氣體分子或原子被與之不同的物質(zhì)所組成的表面指氣體分子或原子被與之不同的物質(zhì)所組成的表面勢阱勢阱較淺較淺的力所捕獲，是受的力所捕獲，是受范德華力范德華力作用的結(jié)果；作用的結(jié)果；2、不需要激活能量的自發(fā)進行的過程，且、不需要激活能量的自發(fā)進行的過程，且可逆可逆；3、吸附過程中，、

33、吸附過程中，放出的能量不大放出的能量不大，約，約20kJ/mol；4、吸附質(zhì)點吸附質(zhì)點性質(zhì)無變化性質(zhì)無變化。二、化學(xué)吸附二、化學(xué)吸附1、指氣體分子或原子被與之不同的物質(zhì)所組成的表面勢阱指氣體分子或原子被與之不同的物質(zhì)所組成的表面勢阱較深較深的力所捕獲，是受的力所捕獲，是受共價鍵力或離子鍵力作用共價鍵力或離子鍵力作用的結(jié)果；的結(jié)果；2、吸附過程、吸附過程不完全可逆不完全可逆；3、吸附過程中，、吸附過程中，放出的能量與化學(xué)反應(yīng)時放出的能量相當(dāng)放出的能量與化學(xué)反應(yīng)時放出的能量相當(dāng)，約約40-240kJ/mol；4、吸附質(zhì)點吸附質(zhì)點性質(zhì)有變化性質(zhì)有變化，它分出了自己的電子來共同使用。，它分出了自己的電

34、子來共同使用。5.2 吸附吸附-脫附動力學(xué)脫附動力學(xué)一、吸附和脫附的速率一、吸附和脫附的速率二、表面擴散動力學(xué)二、表面擴散動力學(xué)三、吸附促進脫附三、吸附促進脫附自學(xué)在任何材料表面，吸附與脫附同時進行。在任何材料表面，吸附與脫附同時進行。第六部分第六部分 薄膜與非晶的表面與界面特性薄膜與非晶的表面與界面特性薄膜薄膜：可以看成在可以看成在XY平面是無限的，而在平面是無限的，而在Z方向距離是很小的固體。方向距離是很小的固體。 因此，存在固體與氣體（真空）界面即因此，存在固體與氣體（真空）界面即表面表面、薄膜與基底材、薄膜與基底材料之間的料之間的界面界面。該表面與界面的結(jié)構(gòu)對薄膜的特性有重大影響。該表

35、面與界面的結(jié)構(gòu)對薄膜的特性有重大影響。 固體原子排列的兩種極限情況：固體原子排列的兩種極限情況：非晶狀態(tài)非晶狀態(tài)理想的單晶狀態(tài)理想的單晶狀態(tài)二者之間有許多過渡狀態(tài)：二者之間有許多過渡狀態(tài)： 如：如：多晶狀態(tài)多晶狀態(tài)、多層狀態(tài)多層狀態(tài)等。等。6.1 薄膜與基底的作用薄膜與基底的作用按作用力大小，薄膜與基底的作用可分為按作用力大小，薄膜與基底的作用可分為2類類：1、弱的范德華力的作用弱的范德華力的作用。此時薄膜與基底的作用視為微擾；。此時薄膜與基底的作用視為微擾；2、薄膜與基底之間有化合作用薄膜與基底之間有化合作用。強的吸附，使薄膜的結(jié)構(gòu)與基。強的吸附，使薄膜的結(jié)構(gòu)與基底關(guān)系密切底關(guān)系密切。 二者

36、由薄膜與基底之間的二者由薄膜與基底之間的界面特性界面特性來表征：并決定于薄膜與來表征：并決定于薄膜與基底之間的基底之間的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。由于薄膜和基底都有不同的種類、結(jié)構(gòu)與成分，。由于薄膜和基底都有不同的種類、結(jié)構(gòu)與成分，因此，具有因此，具有多種多樣的界面特性多種多樣的界面特性，并有各種，并有各種不同的膜基相互作用不同的膜基相互作用。6.2 單晶薄膜單晶薄膜 在在晶格常數(shù)晶格常數(shù)a相近相近的情況下，利用的情況下，利用外延生長外延生長沉膜技術(shù)，可以制備單晶薄膜。沉膜技術(shù)，可以制備單晶薄膜。 分兩種：分兩種：1、同質(zhì)同質(zhì)外延生長薄膜技術(shù)；基底和薄膜為同種外延生長薄膜技術(shù)；基底和薄膜為同種元素。元素。2、

37、異質(zhì)異質(zhì)外延生長薄膜技術(shù)?；缀捅∧椴煌庋由L薄膜技術(shù)?；缀捅∧椴煌亍Ｔ?。6.3 多晶薄膜多晶薄膜一、多晶薄膜的晶粒間界一、多晶薄膜的晶粒間界 多晶薄膜中，單位體積中會有較多晶粒，存在大多晶薄膜中，單位體積中會有較多晶粒，存在大量晶界。量晶界。 晶界區(qū)間占總體積的比例很大，且晶界結(jié)構(gòu)對薄晶界區(qū)間占總體積的比例很大，且晶界結(jié)構(gòu)對薄膜特性有重要影響。膜特性有重要影響。 在在晶粒間界處晶粒間界處，原子排列雜亂原子排列雜亂，缺陷密度較大缺陷密度較大，雜質(zhì)富集雜質(zhì)富集，從而影響薄膜中質(zhì)量輸運，產(chǎn)生，從而影響薄膜中質(zhì)量輸運，產(chǎn)生空間電荷空間電荷，形成形成界面能壘界面能壘，引起，引起界面能帶彎

38、曲界面能帶彎曲，影響，影響載流子的傳載流子的傳輸與復(fù)合輸與復(fù)合。 晶粒間界處于熱力學(xué)晶粒間界處于熱力學(xué)非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)容易發(fā)，其結(jié)構(gòu)容易發(fā)生改變，并進一步引起生改變，并進一步引起多晶薄膜特性的改變多晶薄膜特性的改變。2強度非晶態(tài)微晶態(tài)單晶態(tài)Fe的XRD譜二、晶界結(jié)構(gòu)對薄膜特性的影響二、晶界結(jié)構(gòu)對薄膜特性的影響實例，有選擇的自學(xué)或了解包括電子特性、光學(xué)特性等。6.4 多層薄膜多層薄膜4層膜層膜13層膜層膜40層膜層膜一、插層化合物一、插層化合物 多層膜可看成是層狀物質(zhì)。 在每層內(nèi)部，組成粒子間的相互作用強強，而層與層之間的相互作用弱弱，認為是范德華力的作用。1級2級3級4級234插層

39、插層插層的影響：插層的影響：1、插層化合物形成時，電荷將發(fā)生轉(zhuǎn)移，其插層化合物形成時，電荷將發(fā)生轉(zhuǎn)移，其電子結(jié)電子結(jié)構(gòu)構(gòu)受插入物濃度影響；受插入物濃度影響；2、插層影響：、插層影響：插入物濃度低時插入物濃度低時，對能帶結(jié)構(gòu)影響不，對能帶結(jié)構(gòu)影響不大，插層影響表現(xiàn)為大，插層影響表現(xiàn)為費米能級費米能級的移動；的移動；當(dāng)插入物濃當(dāng)插入物濃度高度高時，時，能帶結(jié)構(gòu)和費米能級能帶結(jié)構(gòu)和費米能級都將有較大變化；都將有較大變化；3、插入物濃度低插入物濃度低時，其電荷轉(zhuǎn)移使載流子密度增加，時，其電荷轉(zhuǎn)移使載流子密度增加，從而使電導(dǎo)率增加；當(dāng)從而使電導(dǎo)率增加；當(dāng)插入物濃度升高插入物濃度升高時，由于遷時，由于遷移

40、率降低，電導(dǎo)率在達到極大值后稍有下降。移率降低，電導(dǎo)率在達到極大值后稍有下降。二、超晶格多層膜二、超晶格多層膜 超晶格多層薄膜的晶格結(jié)構(gòu)對晶體的晶格振動、超晶格多層薄膜的晶格結(jié)構(gòu)對晶體的晶格振動、光學(xué)特性以及磁學(xué)和力學(xué)特性都產(chǎn)生顯著影響。光學(xué)特性以及磁學(xué)和力學(xué)特性都產(chǎn)生顯著影響。 超晶格薄膜通常由超晶格薄膜通常由晶格常數(shù)相近晶格常數(shù)相近而而禁帶寬度不禁帶寬度不同同的薄層交替組成，每層的薄層交替組成，每層厚度范圍從厚度范圍從10到到100 量量級級，小于電子平均自由程和德拜長度小于電子平均自由程和德拜長度，但，但大于自然大于自然晶格常數(shù)晶格常數(shù)。6.5 非晶態(tài)非晶態(tài)一、非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)一、非晶態(tài)的結(jié)

41、構(gòu)1、微晶模型：非常小的晶粒組成。微晶模型：非常小的晶粒組成。2、硬球無規(guī)密堆模型：無規(guī)則多面體組成。如正四面、硬球無規(guī)密堆模型：無規(guī)則多面體組成。如正四面體、正八面體、三棱柱、阿基米德反棱柱、十二面體。體、正八面體、三棱柱、阿基米德反棱柱、十二面體。3、無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型。、無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型。二、非晶的電子態(tài)二、非晶的電子態(tài)1、仍可以用仍可以用單電子理論單電子理論（如前述）；（如前述）；2、也存在、也存在導(dǎo)帶導(dǎo)帶和和價帶價帶，之間也有，之間也有禁帶禁帶；3、擴展態(tài)中載流子導(dǎo)電的機理擴展態(tài)中載流子導(dǎo)電的機理和和晶體中載流子的導(dǎo)電晶體中載流子的導(dǎo)電機理機理相似；相似；4、非晶中含有、非晶中含有大量缺陷大量

42、缺陷，伴隨有，伴隨有懸掛鍵懸掛鍵，在缺陷附近，在缺陷附近會會形成定域態(tài)形成定域態(tài)。三、非晶的導(dǎo)電特性三、非晶的導(dǎo)電特性四、非晶態(tài)與晶態(tài)的相互轉(zhuǎn)換四、非晶態(tài)與晶態(tài)的相互轉(zhuǎn)換 存在存在禁帶中的禁帶中的定域態(tài)的導(dǎo)電和定域態(tài)的導(dǎo)電和擴展態(tài)擴展態(tài)及及尾部定尾部定域態(tài)域態(tài)的導(dǎo)電問題。即有三種態(tài)的不同的導(dǎo)電率。的導(dǎo)電問題。即有三種態(tài)的不同的導(dǎo)電率。非晶態(tài)非晶態(tài)-退火退火-晶態(tài)；晶態(tài)；晶態(tài)晶態(tài)-加熱急冷或離子轟擊加熱急冷或離子轟擊-非晶態(tài)非晶態(tài)。 基底（母材）薄，鍍層為基底（母材）薄，鍍層為Al-Zn，鍍層中，鍍層中間斷裂，為什么？間斷裂，為什么？示示 例例鍍層鍍層鍍層鍍層基底基底基底基底對接縫對接縫備樣：備

43、樣：基底（母材）薄，鍍層為基底（母材）薄，鍍層為Al-Zn，金相腐蝕，金相腐蝕程度輕（未作重腐蝕程度）程度輕（未作重腐蝕程度） 比比 較較差別？差別？樣品樣品1樣品樣品2樣品樣品1樣品樣品1樣品樣品2樣品特征：基底（母材）薄，鍍層為樣品特征：基底（母材）薄，鍍層為Al-Zn，金相腐蝕程度輕（未作重腐蝕程度） 見見 Word 文檔文檔自學(xué)及討論內(nèi)容：自學(xué)及討論內(nèi)容： -表面分析方法表面分析方法XPS （ESCA ）、 RBS、 EDS、ISS、SAM（第1組）SIMS（SSIMS、DSIMS）、 AES、 LEED、 EELS（第2組）STM、 AFM、 SPM、 SEM （第3組）FTIR 、

44、 Raman、 XRD、 TEM等（第4組）可以借書：Handbook of surface and interface analysis； Surface analysis (The principal Techniques) ； 等等。 每個同學(xué)準備一種表每個同學(xué)準備一種表/界面分析的方法與技術(shù)。可界面分析的方法與技術(shù)。可按指定的，也可以自己另外補充或選擇。（按指定的，也可以自己另外補充或選擇。（PPT：10-15頁，頁，Word文本）文本） 要求如下：要求如下： 1、包括分析原理與裝置；、包括分析原理與裝置； 2、特點、優(yōu)缺點；、特點、優(yōu)缺點； 3、適用范圍；、適用范圍； 4、樣品要求，

45、分析中應(yīng)注意的問題；、樣品要求，分析中應(yīng)注意的問題； 5、分析范例（至少、分析范例（至少2個）。個）。 在上述基礎(chǔ)上，每組同學(xué)準備一類表面分析的方法與技在上述基礎(chǔ)上，每組同學(xué)準備一類表面分析的方法與技術(shù)，內(nèi)容要求同上。組內(nèi)公開（術(shù)，內(nèi)容要求同上。組內(nèi)公開（ 15周、一起）準備，考驗周、一起）準備，考驗團隊合作能力，并鍛煉綜合整理能力，完成團隊合作能力，并鍛煉綜合整理能力，完成PPT（40-60 min）。組內(nèi)隨機抽同學(xué)講。）。組內(nèi)隨機抽同學(xué)講。第七部分第七部分 外來粒子與表面的相互作用外來粒子與表面的相互作用外來粒子外來粒子：包括：包括電子、離子、光子、中性粒子及強電場電子、離子、光子、中性粒

46、子及強電場。 利用利用外來粒子外來粒子與表面作用后對表面產(chǎn)生的影響，以及與表面作用后對表面產(chǎn)生的影響，以及從表面散射或產(chǎn)生的新粒子的信息，可以分析從表面散射或產(chǎn)生的新粒子的信息，可以分析表面特性表面特性。這也是表面分析的理論基礎(chǔ)。這也是表面分析的理論基礎(chǔ)。表面特性表面特性：包括形貌、結(jié)構(gòu)、組分、電子態(tài)等。：包括形貌、結(jié)構(gòu)、組分、電子態(tài)等。以下重點介紹以下重點介紹電子電子與表面的作用。與表面的作用。7.1 電子與表面的作用電子與表面的作用一、電子散射一、電子散射單色能量的電子束單色能量的電子束轟擊轟擊樣品表面樣品表面表面發(fā)出不同能量的出射電子表面發(fā)出不同能量的出射電子表面表面電子束電子束出射電子

47、出射電子能量分布廣（見后）能量分布廣（見后）0eV-200eV出射（背散出射（背散射）電子能射）電子能量分布圖量分布圖（Ep=185 eV）I(E)E(eV)IIIIII出射電子能量分布曲線分為三個區(qū)：出射電子能量分布曲線分為三個區(qū)：I-窄峰窄峰，幾個電子伏特寬，為，幾個電子伏特寬，為彈性散射峰彈性散射峰，包含表面與近表面的，包含表面與近表面的結(jié)構(gòu)信息，是低能電子衍射結(jié)構(gòu)信息，是低能電子衍射(LEED)和反射式高能電子衍射和反射式高能電子衍射(RHEED)的研究對象；的研究對象；III-寬峰寬峰，20-30電子伏特寬，是經(jīng)過多次非彈性碰撞的電子伏特寬，是經(jīng)過多次非彈性碰撞的次級電子次級電子，出

48、射電子中大部分電子為該類電子；出射電子中大部分電子為該類電子；II-在在I和和III之間，是之間，是激發(fā)與電離損失的特征峰和俄歇電子峰激發(fā)與電離損失的特征峰和俄歇電子峰。100eV200eV0eV出射電子能量分布曲線形狀的影響因素出射電子能量分布曲線形狀的影響因素： 初級電子束能量、入射角、初級電子束能量、入射角、出射電子的出射角、表面的物出射電子的出射角、表面的物理特征、表面清潔度、測量方理特征、表面清潔度、測量方法等。法等。下面對三個區(qū)域的特性進行討論。下面對三個區(qū)域的特性進行討論。表面表面電子束電子束出射電子出射電子二、電子彈性散射（二、電子彈性散射（I峰）峰） 電子具有波、粒二重性，經(jīng)

49、表面彈性散射，電電子具有波、粒二重性，經(jīng)表面彈性散射，電子會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。子會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。1、電子衍射、電子衍射電子波長為：電子波長為：)(15021AVV為動能，單位為電子伏特。為動能，單位為電子伏特。 當(dāng)電子在材料表面發(fā)生散射時，電子可以被表層電子散射，穿當(dāng)電子在材料表面發(fā)生散射時，電子可以被表層電子散射，穿透電子也可以被較深層原子散射。散射量的大小與原子種類、穿透透電子也可以被較深層原子散射。散射量的大小與原子種類、穿透深度等有關(guān)。深度等有關(guān)。理想表面理想表面電子束電子束出射電子出射電子ad 2 3 4 1sinna2-4束之間束之間2cosndd2-3束之間束之間n1，n2 =0，1

50、，2， 對于左圖，電子從法線方向入射，對于左圖，電子從法線方向入射，散散射束在下列條件時產(chǎn)生干涉現(xiàn)象：射束在下列條件時產(chǎn)生干涉現(xiàn)象：左圖所示為低能電子衍射左圖所示為低能電子衍射(LEED) 的常用條件。的常用條件。a sina理想表面理想表面電子束電子束出射電子出射電子ad243上圖所示為反射式高能電子衍射上圖所示為反射式高能電子衍射(RHEED) 的常用條件的常用條件。3coscosnaxan3=0，1，2， 對于上圖，電子從側(cè)面掠射，對于上圖，電子從側(cè)面掠射，散射束在下列條件時產(chǎn)生干涉現(xiàn)象：散射束在下列條件時產(chǎn)生干涉現(xiàn)象：2、低能（、低能（20eV）電子的彈性反射電子的彈性反射低能電子衍射

51、低能電子衍射(LEED)常用電子能量范圍：常用電子能量范圍：20-300eV；反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射(RHEED)常用電子能量范圍：常用電子能量范圍： 10-30KeV；而而20eV的電子彈性散射則有其特點：的電子彈性散射則有其特點： 由于電子能量降低，穿透深度也降低，電子能量分布曲線中由于電子能量降低，穿透深度也降低，電子能量分布曲線中II區(qū)和區(qū)和III區(qū)逐漸消失。區(qū)逐漸消失。 例如：入射電子能量為例如：入射電子能量為5-17eV時，在時，在BaO中只穿透中只穿透5個原子層；個原子層；對大多數(shù)金屬，入射電子能量為對大多數(shù)金屬，入射電子能量為100eV時，穿透深度都低于三個時，穿

52、透深度都低于三個原子層，因此相應(yīng)的分析方法對表面很敏感。原子層，因此相應(yīng)的分析方法對表面很敏感。I(E)E(eV)IIIIII三、電子非彈性散射（三、電子非彈性散射（II峰）峰）1、特征能量損失峰與俄歇峰、特征能量損失峰與俄歇峰 在左圖中，彈性峰在左圖中，彈性峰(I區(qū)區(qū))與真正次級電子峰與真正次級電子峰(III區(qū)區(qū))之間之間()有一有一些十分微小的起伏，它些十分微小的起伏，它們就是們就是電子激發(fā)與電離電子激發(fā)與電離引起的特征能量損失峰引起的特征能量損失峰和和俄歇峰俄歇峰。I(E)E(eV)IIIIII100eV200eV0eV 特征能量損失峰特征能量損失峰-包括芯電子激發(fā)引起的電離損失、價電包

53、括芯電子激發(fā)引起的電離損失、價電子的單電子激發(fā)損失、價電子集體激發(fā)的等離子體激元能量損子的單電子激發(fā)損失、價電子集體激發(fā)的等離子體激元能量損失、精細結(jié)構(gòu)的擴展電子能量損失以及振動激發(fā)能量損失等。失、精細結(jié)構(gòu)的擴展電子能量損失以及振動激發(fā)能量損失等。 俄歇峰俄歇峰-由能級內(nèi)俄歇電子過程引起。由能級內(nèi)俄歇電子過程引起。 二者都與材料性質(zhì)有關(guān)，并成為表面分析的有效工具。二者都與材料性質(zhì)有關(guān)，并成為表面分析的有效工具。2、俄歇電子峰、俄歇電子峰 初級電子使初級電子使K層電層電子電離，子電離，K層出現(xiàn)空位，層出現(xiàn)空位，然后比然后比K層更高的其他層更高的其他殼層的電子殼層的電子(如如L1層的層的電子電子)填充填充K層的空位，層的空位，釋放出的能量交給其釋放出的能量交給其他殼層的電子，如他殼層的電子，如L2，3殼層的電子，并使后殼層的電子，并使后者逸出體外，成為俄者逸出體外，成為俄歇電子。俄歇電子在歇電子。俄歇電子在逸出體外的過程中，逸出體外的過程中，會有各種能量損失，會有各種能量損失，在完成俄歇躍遷的原在完成俄歇躍遷的原子內(nèi)，由于留下空位，子內(nèi)，由于留下空位，其能級圖將發(fā)生變化。其能級圖將發(fā)生變化。態(tài)密度991491839KL1L2,3130VEFECEVac原電子原電子俄歇電子俄歇電子損失能量的電子損失能量的電子原子各軌道一次電離的電子能量費米能級為能