表面物理、表面化学的发展历程

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1、表面物理和表面化学的发展历程摘要：本文重点阐述了表面物理和表面化学两门学科的发展历程，介绍了表面物理和表面化学的发展成就及应用领域，并展望了这两门学科的发展前景和方向。关键i司：表面物理；表面化学；发展；应用；研究热点；方向1.引言材料的表面与界面对材料整体性能具有决定性的影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、黏结、复合等，无不与材料的表界面密切有关。因此研宄材料的表面和界面现象具有重要的意义。材料表面与界面的研宄越来越受到W内外科学家的重视，材料表界面科学得到了迅速发展。表面物理与表面化学作为材料表界面科学中两个重要的分支学科，同吋也是重点研究的领域，对于材料表面与界面

2、的表征、修饰、改善及应用发挥着不可替代的作用。近几十年来，表面物理和表面化学发展迅速，逐渐成为世界范围内的研宄热点。2.表面物理2.1概述表面物理学是20世纪60年代以后固体物理学中的一个重要而且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〜lOTorr）,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

3、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冇序或无序的覆盖层等。2.2发展概况早在18世纪，人们就开始了对表面的探索，例如催化、电化学以及表面和的热力学研究等等。20世纪中叶，半导体工业和真空技术的迅速发展，极大地促进了表面物理的进步。20世纪60年代起，人们开始在超高真空条件下研究表面的原子排列、电子状态以及吸附在表面上的外来原子和分子。通过粒子束（电子束、离子束、原子束、或光束）和外场（温度、电场或磁场）与表面的相互作用，获得有关表面的原子成分、结构、吸附物特征、表面电子态以及表面元激发等信息11］。直到20世纪80

4、年代，扫描隧道显微镜的发明首次实现了实空间表面原子分辨率［21,将人们带到原子和分子的世界，使表面物理在纳米尺度上得以迅速发展。近多年来，纳米尺度下的表面物理已经成为科学研究中最活跃的前沿学科之一，广泛涉及化学、数学、生物、半导体科学、材料科学等基础和应用学科。并II在固体表面结构、电子结构及其纳米结构的吸附、生长等方面取得了丰硕的研究成果［3_5］。2.3研究意义表面物理学的研宄意义如下：(1)对固体表面的研究具有重大实际意义，例如金屌和合金材料的腐蚀、磨损和断裂等问题直接与表面的化学成分有关。(2)半导体器件的性能受到表面状况的重大影响；多相催化机理、材料的老化和屮毒等都与表面

5、状况有关。(3)受控热核反应装置中等离子体与器壁表面的相互作用机理必须考虑表面特性等。表面物理学已同冶金学、材料科学、半导体物理学、催化、真空物理等领域紧密地结合在一起，而在表面物理学的实验研究中所涉及的方法和设备更与广泛的理论和技术成果相联系，故表面物理学是一门综合性很强、重要性口益显著的学科。2.4研究热点固体表面附近的几个原子层(0.5-l.Onm左右)内具有许多异于体内的物理性质。表面物理学就是研究在超高真空下，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A的外来杂质的电子状态和其他物理性质。随着科学技术的R新月异，表面物理学也

6、实现了飞速发展，研宄方向越来越倾向于低尺度、高精度，其主要研究热点包括以下儿个方面：(1)表面原子结构。研究表面层原子(包括吸附物原子或分子)的几何结构;确定原子间的三维精确位置，这是表面物理研宂屮最直观的部分。例如采用透射电镜对Si(l11)-(7X7)重构表面原子结构的确定l6j。若能动态地得到吸附物不同覆盖度时的表面原子结构，就可以实现对其生长过程的时时监控。(2)表面电子结构。研究固体表面对电子结构的影响是表面物理的一个重要研究部分。因为固体的许多物理性质，例如电子发射、吸附和催化等都与表面电子结构有着密切联系。实验上常用光电子能谱，理论上常用密度泛函理论计算对表面的电子结

7、构进行研宄，最近，通过修饰扫描隧道显微镜的W针尖，可以直接观察过去常规方法无法得到的精细的表面电子态结构l7j。(3)表面化学成分。研宄表面上(伍括层内)原子或分子的鉴定以及不同成分的相对或绝对含量的测定。对表面化学成分的分析是认识表面的首要问题之一，尤其在纳米尺度下，化学成分的鉴定已经在单原子或单分子之间展开，例如W.Ho等人对单分子非弹性隧道谱的测量成功区分同位素分子C2H2和C2D2l8,o(4)薄膜生长模式及机理。薄膜生长模式及生长机理的研究已经成为了表面物理