Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 表面物理介绍
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat May 24 16:08:25 2003) , 转信

发信站: 飘渺水云间 

表面物理介绍
                           中国科学院物理研究所 王鼎盛
    固体表面的性质，例如金属表面的腐蚀, 固体表面之间的摩擦，金属之间或金属与
半导体的电接触，金属和氧化物的电子发射等等，在有关的科学技术领域里, 早已是重
要的研究对象。近二十年发展的表面物理，是物理学中的一个新兴分支, 它以五、六十
年代发展的固体物理理论和各种能谱(光、电子、离子等) 分析方法为基础，从微观原理
上阐明物质表面和界面的结构变化，以及其对物质间相互作用的影响。因此，它为从根
本上统一的了解，并进而控制表面和界面的各种性质和现象开辟了途径.
     表面物理研究的发展得益于三个方面，因为研究的对象往往只是物体表面几个原子
层,无论研究它的化学组成还是原子排列都要求很灵敏的探测技术, 因此必须有很先进的
测量装置. 第二方面， 是为了保持被研究的表面不被污染，必须在超高真空装置里进行
研究. 第三方面，表面物理研究也是基于固体物理研究中已经发展起来的各种实验和理
论方法，固体物理的研究中关于物质结构研究的衍射方法（如X光衍射，中子衍射等）和
晶体对称性的概念，关于固体电子运动的描写（能带理论），关于原子运动和激发(如声
子)的理论等等，都是在研究三维体系的物质性质中发展起来的基本原理。对于物质的表
面或界面, 虽然三维的对称性和周期性不再成立，但是却必须以这些固体物理为基础，
发展方法和概念，才可以解决表面研究的问题.
表面原子结构
    设想把一块晶体,沿一个面剖成两半后分开，露出了表面。如果这个过程中比哦安眠
和它下面的所有原子都不移动，得到的叫理想表面，实际的表面几乎都不能保持这样，
因为表面层原子只受到来自内部原子的吸引，因而它与下一层原子的距离通常比理想情
况要小,叫做表面弛豫.此外,晶体表面原子排列的对称性在一定的温度下还会变化，形成
新的结构，叫做表面再构.
    研究晶体结构X光衍射，研究表面原子的结构变化要用低能电子衍射.X光穿透力强,
测量的整个物体，而低能量的电子只在几个原子层上发生反射，从电子衍射图样得到的
是表面原子排列.研究表面结构变化的机理和规律是表面物理的内容。
表面化学组成
     即使把一块成分均匀的合金或杂质均匀分布的固体,沿一个面剖开露出表面，由于
不同原子在表面上的热力学势与体内不一样,表面的成分会逐渐变化，即有分凝现象发生
.这个现象对许多实际材料的性质有决定性的影响，例如钢中的微量杂质在晶界上分凝对
断裂的影响和催化剂中微量杂质在表面分凝对催化效率和寿命的影响。分凝的测定和分
凝的规律也是表面物理研究的对象.
     用来作表面化学组成分析的方法通常有俄歇谱和光电子能谱，它们都是用高能量（
几百到几千电子伏）X光入射到物体上，激发原子的内层电子，然后测量从表面几层原子
中发射出来的电子的能量分布。因为不同的原子发射出来的电子具有不同的能量(特征谱
),从这些特漳概念，关于固体电子运动的描写（能带理论），关于原子运动和激发(如声
子)的理论等等，都是在研究三维体系的物质性质中发展起来的基本原理。对于物质的表
面或界面, 虽然三维的对称性和周期性不再成立，但是却必须以这些固体物理为基础，
发展方法和概念，才可以解决表面研究的问题.
表面原子结构
    设想把一块晶体,沿一个面剖成两半后分开，露出了表面。如果这个过程中比哦安眠
和它下面的所有原子都不移动，得到的叫理想表面，实际的表面几乎都不能保持这样，
因为表面层原子只受到来自内部原子的吸引，因而它与下一层原子的距离通常比理想情
况要小,叫做表面弛豫.此外,晶体表面原子排列的对称性在一定的温度下还会变化，形成
新的结构，叫做表面再构.
    研究晶体结构X光衍射，研究表面原子的结构变化要用低能电子衍射.X光穿透力强,
测量的整个物体，而低能量的电子只在几个原子层上发生反射，从电子衍射图样得到的
是表面原子排列.研究表面结构变化的机理和规律是表面物理的内容。
表面化学组成
     即使把一块成分均匀的合金或杂质均匀分布的固体,沿一个面剖开露出表面，由于
不同原子在表面上的热力学势与体内不一样,表面的成分会逐渐变化，即有分凝现象发生
.这个现象对许多实际材料的性质有决定性的影响，例如钢中的微量杂质在晶界上分凝对
断裂的影响和催化剂中微量杂质在表面分凝对催化效率和寿命的影响。分凝的测定和分
凝的规律也是表面物理研究的对象.
     用来作表面化学组成分析的方法通常有俄歇谱和光电子能谱，它们都是用高能量（
几百到几千电子伏）X光入射到物体上，激发原子的内层电子，然后测量从表面几层原子
中发射出来的电子的能量分布。因为不同的原子发射出来的电子具有不同的能量(特征谱
),从这些特征能量的电子数(谱峰高度)的比例可以确定表面原子的组成。这两种方法通
常可以测出百分之一左右的成分变化。更灵敏的方法是二次离子质谱,它用一种离子（通
常是 CS或O ）加速后,入射到要分析的表面上，轰击出待分析的原子来，直接用质谱计
测量，可以达到万分之一以上的灵敏度.
表面缺陷与表面扩散
     形成表面时,表面原子与表面外原子的结合键被切断了，因此表面原子的结合能比
体内的原子小，更容易出现各种表面缺陷。例如表面空位是在平整表面上失去一个原子
，吸附原子是在平整表面增加一个原子，台阶是两个平整表面上下错开一个原子层高度
形成的一条线,扭拐是台阶线分成两段，沿垂直该线方向错开了一个原子层距离。在扭拐
处吸附或取走原子都不改变表面积,能量变化最低,应该是吸附,脱附和化学反应过程中最
敏感活跃的位置。表面原子的扩散与缺陷的形成，转变和消失联系在一起,因为在表面上
扩散能量变化小，因此比体内容易得多.表面缺陷和表面原子扩散可以直接从原子尺度上
观察和研究，例如利用低能电子衍射可以测定台阶的平均数目,利用场离子显微镜可以直
接观察难熔金属表面上的原子运动，但大部分有关的研究还是依靠宏观性质的测量和分
析.
金属表面的电子状态
    金属内部电子的分布是相当均匀的，在表面上则是迅速衰减的。衰减的快慢取决于
作用在电子上的表面势,表面物理研究这个表面势与金属电子密度和表面取向的关系，以
及它随表面成分和吸附的变化。表面势的大小直接决定了电子从金属内部到真空的电子
发射性质，是一个重要的理论与实际课题。同时由于表面势的变化，出现了空间分布上
局限在表面的电子状态，这部分电子与外来原子的电子之间，相互作用最强，是决定表
面吸附和表面化学反应性质最关键的因素。表面物理研究的一嫌具有不同的能量(特征谱
),从这些特征能量的电子数(谱峰高度)的比例可以确定表面原子的组成。这两种方法通
常可以测出百分之一左右的成分变化。更灵敏的方法是二次离子质谱,它用一种离子（通
常是 CS或O ）加速后,入射到要分析的表面上，轰击出待分析的原子来，直接用质谱计
测量，可以达到万分之一以上的灵敏度.
表面缺陷与表面扩散
     形成表面时,表面原子与表面外原子的结合键被切断了，因此表面原子的结合能比
体内的原子小，更容易出现各种表面缺陷。例如表面空位是在平整表面上失去一个原子
，吸附原子是在平整表面增加一个原子，台阶是两个平整表面上下错开一个原子层高度
形成的一条线,扭拐是台阶线分成两段，沿垂直该线方向错开了一个原子层距离。在扭拐
处吸附或取走原子都不改变表面积,能量变化最低,应该是吸附,脱附和化学反应过程中最
敏感活跃的位置。表面原子的扩散与缺陷的形成，转变和消失联系在一起,因为在表面上
扩散能量变化小，因此比体内容易得多.表面缺陷和表面原子扩散可以直接从原子尺度上
观察和研究，例如利用低能电子衍射可以测定台阶的平均数目,利用场离子显微镜可以直
接观察难熔金属表面上的原子运动，但大部分有关的研究还是依靠宏观性质的测量和分
析.
金属表面的电子状态
    金属内部电子的分布是相当均匀的，在表面上则是迅速衰减的。衰减的快慢取决于
作用在电子上的表面势,表面物理研究这个表面势与金属电子密度和表面取向的关系，以
及它随表面成分和吸附的变化。表面势的大小直接决定了电子从金属内部到真空的电子
发射性质，是一个重要的理论与实际课题。同时由于表面势的变化，出现了空间分布上
局限在表面的电子状态，这部分电子与外来原子的电子之间，相互作用最强，是决定表
面吸附和表面化学反应性质最关键的因素。表面物理研究的一项重要课题是决定在给定
的表面上存在什么表面电子状态，和这些表面电子态的空间分布和能量.
半导体表面的电子状态
     由于表面势场变化和原子间相互作用键的破坏，半导体表面的电子状态可能出现在
禁带当中，成了句顶整个整个半导体费米面位置的决定性因素（表面钉扎）.对于半导体
导电性能，尤其是半导体与金属的界面和半导体之间的界面的导电性能有重要影响。表
面物理研究这些电子状态与结构的关系，以及如何鉴别和控制的方法，帮助从事半导体
面物理研究这些电子状态与结构的关系，以及如何鉴别和控制的方法，帮助从事半导体
材料和器件制造的科学家制造高质量的产品。
表面上的原子相互作用
     许多物质的化学反应是通过表面逐步进行的，例如固体氧化，腐蚀,异相催化等.表
面物理从表面原子的结构和电子状态的特点出发，研究外来的原子和分子与表面上原子
的相互作用，是认识上述过程的基础。例如*分子在过渡金属表面容易发生分解，与表面
原子的电子态有关.分解过程中的能量传递也必须借助表面的原子振动,与表面振动性质
有关。现在的表面物理研究已准确的测定了许多原子和分子（常见的如C,O,H,S,H2, O2
,CO等）在各种表面上吸附的位置，吸附后与表面原子之间相互作用的强度，并且从电子
水平上阐明这些过程的原因。
     以上这几个方面是表面物理研究的基本内容，当然它的对象不只是这些，应用方面
就更广.表面物理研究中发展的先进的实验方法，在表征表面的成分，结构，原子价态等
方面，已经成为各门学科研究，技术开发以至生产中常用的工具。虽然表面物理研究只
是在近于理想的条件（高真空，干净表面）下进行，它发展的实验方法，理论概念都可
以有效的应用于科学技术之中.同时表面物理研究的进展，还把物理学从研究通常的三维
对象的性质推进到研究二维对象的性质,目前人们已着手研究一维(线状),甚决定在给定
的表面上存在什么表面电子状态，和这些表面电子态的空间分布和能量.
半导体表面的电子状态
     由于表面势场变化和原子间相互作用键的破坏，半导体表面的电子状态可能出现在
禁带当中，成了句顶整个整个半导体费米面位置的决定性因素（表面钉扎）.对于半导体
导电性能，尤其是半导体与金属的界面和半导体之间的界面的导电性能有重要影响。表
面物理研究这些电子状态与结构的关系，以及如何鉴别和控制的方法，帮助从事半导体
对象的性质推进到研究二维对象的性质,目前人们已着手研究一维(线状),甚至零维(点状
)物质的性质,标志了物理学发展的一个新前沿领域.        （取自《物理通报》1990年
第5期）



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