表面分析与检验

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1、表面分析与检验　顾迅【摘要】　阐述了表面分析的涵义、分类、内容和作用，并通过实例对表面检验作了评述。关键词：表面分析　表面检验　显微术　分析谱仪SurfaceAnalysisandExaminationGuXun（SurfaceEngineeringInstitute，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200030）【Abstract】Theimplication，classification，contents，andfunctionaboutsurfaceanalysiswereexpoundedandthesurface

2、examinationswerereviewedbyintroducingsomeexamplesinthispaper．Keywords：surfaceanalysis，surfaceexamination，microscopy，spectrometer1　前言　　要全面描述固体材料的表面状态，阐明和利用各种表面特性，需从宏观到微观按不同层次对表面进行分析研究［1］：①表面形貌和显微组织结构；②表面成分；③表面原子排列结构；④表面原子动态和受激态；⑤表面的电子结构。近30多年来，由于电测技术、超高真空技术、计算机技术以及表面（或薄膜）制备等一系列先进技术的迅

3、速发展，各种显微镜和分析谱仪不断出现和完善，为表面研究提供了良好的实验条件，有可能精确地直接获取各种表面信息，有条件从电子、原子和分子水平去认识表面现象。这是现代表面技术能够获得迅速发展的重要原因之一。　　除了表面分析之外，根据实际需要进行各种表面检验也是十分重要的，因为它是保证产品质量、分析产品失效原因的必要措施，同时，在表面分析前，通常只有对材料“大量的”或“大面积的”性能进行了检测，才能对以后的表面分析结果得到正确和合理的解释。　　由于表面检验的项目和内容是根据各种具体产品来确定的，因此本文着重阐述表面分析的涵义、分类、特点和作用，而对表面检验是通过某些

4、实例作简要的评述。2　表面的某些概念2.1　理想表面　　固体材料通常以晶态和非晶态形式存在于自然界。这里主要以晶态物质来介绍表面结构。理想表面是一种理论的结构完整的二维点阵平面，即忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，也忽略表面原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象，又忽略表面外界环境的作用等。2.2　清洁表面　　它是经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在10－6～10－9Pa超高真空下使外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面［2］。　　晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子的键合

5、，形成了附加的表面能。为使表面原子趋于能量最低的稳定状态，一是自行调整而使原子排列情况与材料内部明显不同，二是依靠表面的成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及这两者的相互作用，使表面组分与材料内部不同。由此看来，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至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。例如，清洁表面可能出现的结构与缺陷如下［3～5］：　　（1）弛豫　表面

6、上的原子相对于正常位置的上、下位移来降低体系能量，尤其是表面第一层原子与第二层之间位移（压缩或膨胀）最明显，越深入体内，此种位移迅速消失。　　（2）重构　在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。　　（3）偏析　表面原子是从体内分凝出来的外来原子。　　（4）化学吸附　外来原子（超高真空条件下主要是气体）吸附于表面，并以化学键键合。　　（5）化合物　外来原子进入表面，与表面原子键合形成化合物。　　（6）台阶　表面不是原子级平坦，表面原子可以形成台阶结构。　　Kossel和Stranski提出了单晶表面TLK模型，其中T表示低

7、晶面指数的平台（Terrace），L表示单分子或单原子高度的台阶（Ledge），K表示单分子或单原子尺度的扭折（Kink）。如图1所示，除平台、台阶和扭折外，还有表面吸附的单原子（A）以及表面空位（V）。图1　单晶表面的TLK模型　　另一种晶体缺陷是位错（线）。由于位错只能终止在晶体表面或晶界上，而不能终止在晶体内部，因此位错往往在表面露头。如果是螺位错的露头，则在表面形成台阶。　　上面是清洁表面的一般情况。严格地说，清洁表面是指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面，因此制备清洁表面是很困难的，而在几个原子层

8、范围内的清洁表面，其偏离三维周期性结构