表面与界面原子结构

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1、第二章表面与界面的原子结构Thestructureofsurfaceandinterface本章主要学习内容Contents清洁表面(CleanSurface)晶界（crystalInterface）分界面（Interface）实际表面（FactualSurface）在实际条件下，材料表面受到各方面因素影响，从而在结构上、组成上发生改变。为了研究材料的本征表面特性，清洁表面才能用来进行研究。清洁表面是相通过特殊处理（即保证组成上的确定性）后，保持在超高真空下的表面(即保证表面不随时间而超高真空改变)。清洁表面(C

2、leanSurface)一般清洁表面是指经离子轰击加退火热处理后的单晶表面。由于原子在体内部和在表面受到力不同，则引起表面原子的排列与内部有较为明显的差别。这种差异经过4～6层之后，原子的排列与体内已相当接近，这个距离也可以看作是实际清洁表面的范围。清洁表面(CleanSurface)1.1描述清洁表面原子排列结构表面原子的排布方式虽然与体内有差别，但表面原子仍作对称和周期性的排布，常看作是二维格子。结晶学上的概念和规则，二维格子中都适用。但由于维数减少，相应的复杂性也减少。由于表面排列突然发生中断，表面原子受力

3、（化学键）状况发生变化，总效应是增大体系的自由能。为了降低体系能量(减小表面能)，表面附近原子的排列必须进行调整。调整的方式有两种：(1)自行调整,表面处原子排列与内部有明显不同；(2)靠外来因素,如吸附杂质,生成新相等。1.2清洁表面的原子排列几种调整的方式后形成清洁表面结构示意图驰豫重构偏析化学吸附化合物台阶驰豫表面区原子(或离子)间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞结构基本不变,这种情况称弛豫。离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，这是一种长程作用。弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此

4、，一般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对称性发生了变化。1重构有两类情况：(a)表面晶面与体内完全不一样，称超晶格或超结构。(b)表面原胞的尺寸大于体内，即晶格常数增大。当表面原子排列作了较大幅度的调整，与衬底晶面原子的平移对称性有明显不同，这种表面结构称重构；重构2a.TLK表面模型:由LEED等表面分析结果证实，许多单晶体的表面实际上不是原子级的平坦，而是如图所示的情形。从热力学上来分析，清洁表面必然存在有各种类型的表面缺陷。清洁表面的缺陷3b.点缺陷在平台上可能存在各种点缺陷，最为普遍的

5、就是吸附(或偏析)的外来杂质原子。由于有表面能，表面原子的活动能力较体内大,形成点缺陷的能量小。因此表面上的热平衡点缺陷浓度远大于体内。表面上的正负离子空位对、空位团簇、杂质空位对(团)也是一种表面点缺陷。c．线缺陷位错往往要在表面露头，可以将它看作是直径为原子尺寸的一根管道，从体内通到表面。如果是螺位错，则在表面形成一个小台阶。功能材料(光、电等)一般都各向异性；晶态时性能指标最佳；薄膜器件和集成电路需要材料薄膜化；最理想是形成单晶薄膜。在一种单晶表面生长出单薄膜称为外延生长。表面上能否生长成一层单晶薄膜

6、极大地取决于表面晶面的晶格常数和缺陷。表面原子结构对材料科学与工程的作用4功能薄膜的外延生长在材料实际应用过程中，材料表面是要经过一定加工处理(切割、研磨、抛光等),材料又在大气环境(也可能在低真空或高温)下使用。材料可能是单晶、多晶、非晶体。这类材料的表面称为实际表面。实际表面中主要关心的是nm~μm级范围内原子排列所形成表面结构特征。材料表面的微结构(组织)、化学成分、形貌、不同形态(形状)材料表面的特点。实际表面（FactualSurface）衡量表面平整程度时，当波距小于1mm时，表面出现的不平整性称为表

7、面粗糙度。2.1表面粗糙度不同尺度下观察表面平整性测量方法：选用一条轮廓中线(m),中线是一条理想的线，在此线上粗糙度为零。当比较比较不同表面粗糙程度的大小时，需要有定量或测量粗糙程度的方法。表面粗糙度定量值1公式表示为：（a）轮廓算术平均偏差Ra在取样长度l内，测量表面上一些点距中线m的距离y1，y2，…，yn，取其绝对值的算术平均值。表面粗糙度定量值1其近似表达式为：在取样长度内，从平行于中线的任何一条线起，到被测量轮廓的五个最高峰(yp1，yp2，...，yp5)与五个最低谷(yv1，yv2，...，y

8、v5)平均值之和。（b）微观不平整十点高度Rz表面粗糙度定量值1在取样长度内，除去个别明显的偏离值之后，过最高峰和最低谷，分别作平行于中线的平行线，这两条平行线间的距离称轮廓最大高度，以Ry表示。（c）轮廓最大高度Ry表面粗糙度定量值1对于一些多晶材料、薄膜材料以及有孔的材料，它们形状复杂,除了外表面外还有内表面。一般采用粗糙系数R来表示。晶粒就停止生长。R=Ar/A