表面與界面物理思考題答案

1、表面與界面物理思考題答案 鄧?yán)蠋煵糠?. 2 1，原子間的鍵合方式及性能特點(diǎn)。 . 2 2，原子的外層電子結(jié)構(gòu)，晶體的能帶結(jié)構(gòu)。 . 2 3，晶體（單晶體，多晶體）的基本概念，晶體與非晶體的區(qū)別。 . 2 4，空間點(diǎn)陣與晶胞、晶面指數(shù)、晶面間距的概念，原子的堆積方式和典型的晶體結(jié)構(gòu)。 . 2 5，表面信息獲取的主要方式及基本原理。 . 3 6，為什么xps可獲得表面信息，而x射線衍射只能獲得體信息？ . 3 7，利用光電子能譜（xps）和俄歇（auger）電子能譜（aes）進(jìn)行表面分析的基本原理和應(yīng)用范圍。 . 4 8，透射電子顯微鏡有哪幾種工作模式，它們可獲得材料的什么信息？ . 4 9，掃

2、描電子顯微鏡的二次電子像和背反射電子像的成像原理。 . 4 10，說(shuō)明電子束的基本特征，舉出幾種利用電子束的波動(dòng)性和粒子性的分析技術(shù)。 . 5 11，什么是電子結(jié)合能的位移？?jī)r(jià)帶能態(tài)密度可采用什么方法測(cè)試，簡(jiǎn)述其原理。 . 5 12，表面的定義，什么是清潔表面和實(shí)際表面？ . 5 13，什么是表面的tlk模型？表面缺陷產(chǎn)生的原因是什么？ . 5 14，什么是表面弛豫和表面重構(gòu)？畫出表面弛豫和表面重構(gòu)的原子排列圖。 . 5 15，為什么表面原子排列與體內(nèi)不同，請(qǐng)比較重構(gòu)與弛豫的異同，并解釋si（111）21重構(gòu)的成因。 . 6 16，納米材料有哪些效應(yīng)？ . 6 17，說(shuō)明表面張力和表面自由能分

3、別用于什么情況。解釋表面吸附對(duì)表面自由能的影響。如何測(cè)試材料的表面自由能，簡(jiǎn)述其基本原理。 . 6 18，什么是晶體材料的易生長(zhǎng)晶面，它與什么因素有關(guān)？nacl為簡(jiǎn)單立方晶體，它的易生長(zhǎng)晶面是什么？ . 7 陶老師部分 . 8 1，表面態(tài)的產(chǎn)生原因和種類，它對(duì)材料性能有何影響？ . 8 2，形成空間電荷區(qū)的原因和表面空間電荷區(qū)的類型。 . 8 3，什么是準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)？ . 8 4，有一半導(dǎo)體材料，其體費(fèi)米能級(jí)在導(dǎo)帶下1/3eg處，表面費(fèi)米能級(jí)距導(dǎo)帶2/3eg處，eg為禁帶寬度。問(wèn)： . 9 5，n型半導(dǎo)體的不同表面勢(shì)下的表面空間電荷區(qū)情況，請(qǐng)結(jié)合能帶圖說(shuō)明。 . 9 6，請(qǐng)分析非平衡載流子的符合

4、過(guò)程。 . 10 7，請(qǐng)分析實(shí)際金半接觸中勢(shì)壘高度與理論上的schottky勢(shì)壘、bardeen表面釘扎勢(shì)壘偏離的原因。 . 10 8，試分析多晶zno材料中具有雙向整流效應(yīng)的i-v特性曲線與界面電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 . 10 9，什么是表面吸附與偏析？ . 11 10，比較化學(xué)吸附與物理吸附，并畫出它們的吸附能曲線；什么是快化學(xué)吸附和慢化學(xué)吸附？ . 11 11，請(qǐng)解釋第iv型吸附等溫線。 . 12 12，n型半導(dǎo)體表面吸附氧后它的表面電導(dǎo)和表面能帶如何變化？ . 12 13，水在n型半導(dǎo)體表面吸附后對(duì)電導(dǎo)和能帶會(huì)發(fā)生哪些影響？ . 12 14，擴(kuò)散有哪些微觀機(jī)制？其激活能與擴(kuò)散速度有何不同？

5、. 12 15，試比較原子在表面、晶界、相界、晶內(nèi)擴(kuò)散的方式、速度的異同？ . 12 16，什么是kirdendall擴(kuò)散，其發(fā)生會(huì)導(dǎo)致何種后果？ . 13 17，固相反應(yīng)的發(fā)生是如何進(jìn)行的？反應(yīng)速度的快慢影響因素有哪些？ . 13 1 鄧?yán)蠋煵糠?1，原子間的鍵合方式及性能特點(diǎn)。 結(jié)合鍵 離子鍵 共價(jià)健 金屬鍵 分子鍵 結(jié)合方式 電子轉(zhuǎn)移，結(jié)合力大，無(wú)方向性和飽和性 電子共用，結(jié)合力大，有方向性和飽和性 電子出共有，結(jié)合力較大，無(wú)方向性和飽和性 電子云偏移，結(jié)合力很小，無(wú)方向性和飽和性 晶體特征 硬度高，脆性大，熔點(diǎn)高、導(dǎo)電性差 強(qiáng)度高、硬度高（金剛石）、熔點(diǎn)高、脆性大、導(dǎo)電性差 導(dǎo)電性、導(dǎo)

6、熱性、延展性好，熔點(diǎn)較高（如金屬） 熔點(diǎn)低，硬度低。如高分子材料 氫鍵 是一種特殊的分子間作用力。這是由氫原子同時(shí)與兩個(gè)電負(fù)性很大而原子半徑較小的原子（o，f，n等）相結(jié)合而產(chǎn)生的具有比一般次價(jià)鍵大的鍵力，具有飽和性和方向性 2，原子的外層電子結(jié)構(gòu)，晶體的能帶結(jié)構(gòu)。 描述原子中一個(gè)電子的空間位置和能量： 1）主量子數(shù)n；軌道角量子數(shù)l；磁量子數(shù)m；自旋量子數(shù)s； 2）核外電子的排布規(guī)律三原則：能量最低原理；pauli不相容原理；hund規(guī)則。 說(shuō)明： 1）晶體中，當(dāng)n個(gè)原子聚在一起成晶體時(shí)，每個(gè)原子能級(jí)上將有2n個(gè)相同能量狀態(tài)的電子（共有化電子），這是泡利不相容原理所不允許的，實(shí)際上，由于原子

7、的相互作用，每個(gè)原子能級(jí)將分裂為一個(gè)有n個(gè)支能級(jí)的能帶。 2）能帶表示電子允許占有的狀態(tài)，能帶間隙有禁帶，其寬度通常用eg表示。每一根能帶中可以容納的電子是有限制的（最多為組成晶體原子數(shù)的2倍）。 3）能帶全部裝滿電子為滿帶，沒(méi)有電子為空帶，兩者都不對(duì)導(dǎo)電作貢獻(xiàn)；能帶沒(méi)有填滿為未滿帶，其中電子在外電場(chǎng)作用下能改變狀態(tài)，對(duì)導(dǎo)電作貢獻(xiàn)。 3，晶體（單晶體，多晶體）的基本概念，晶體與非晶體的區(qū)別。 晶體：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）在三維空間呈周期 重復(fù)排列的固體。 單晶體：質(zhì)點(diǎn)按同一取向排列。由一個(gè)核心（稱為晶核）生長(zhǎng)而成的晶體。 多晶體：由許多不同位向的小晶體（晶粒）所組成的晶體。多晶體一般顯示

8、出各向同性假等向性。 固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）的聚集狀態(tài)而分為兩大類：晶體與非晶體 原子排列 熔點(diǎn) 性能 晶體 規(guī)則排列 有固定熔點(diǎn) 各向異性 非晶體 紊亂分布 沒(méi)有明顯的熔點(diǎn) 各向同性 4，空間點(diǎn)陣與晶胞、晶面指數(shù)、晶面間距的概念，原子的堆積方式和典型的晶體結(jié)構(gòu)。 空間點(diǎn)陣：呈周期性的規(guī)則排列的陣點(diǎn)所形成的具有等同的周圍環(huán)境的三維陣列。 2 晶胞：在空間點(diǎn)陣中，能代表空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)單元，反映晶格特征的最小幾何單元。 晶面指數(shù)：代表一組平行的晶面。為了便于研究和表述不同晶面原子排列的情況及其在空間的位向，需要確定一種統(tǒng)一的表示方法來(lái)表示晶面，稱為晶面指數(shù) 晶面間距：兩近鄰平行晶面間的

9、垂直距離。 晶體中原子堆積方式： 1）面心立方結(jié)構(gòu)是以其最密排面111每三層就重復(fù)堆積，按abcabc的次序堆積起來(lái)的。 2）密排六方結(jié)構(gòu)也是一種密堆積，它的（001）面和面心立方111面具有相同的最緊密排列方式，（001）面每?jī)蓪泳椭貜?fù)堆垛，即（001）面按（ababab）的順序堆垛， 3）體心立方結(jié)構(gòu)是以其最密排面111每三層就重復(fù)堆積，按abcabc的次序堆積起來(lái)的。 4）簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)是以其最密排面111每三層就重復(fù)堆積，按abcabc的次序堆積起來(lái)的。 典型的晶體結(jié)構(gòu)： 面心立方結(jié)構(gòu)；體心立方結(jié)構(gòu)；密排六方結(jié)構(gòu)；簡(jiǎn)單立方。 5，表面信息獲取的主要方式及基本原理。 表面信息的獲?。河煤赡?/p>

10、的電子、離子、光子作“探針”，如下圖，根椐入射粒子和出射粒子之間的類型轉(zhuǎn)換、能量變化、粒子的分布等關(guān)系，可以獲取表面的信息。 基本原理： 以荷能電子作探針，當(dāng)電子與表面作用后，能從表面激發(fā)出電子、離子和光子。采用相應(yīng)的儀器可測(cè)量這些激發(fā)粒子的能量分布和角度分布，然后推算出表面原子排列、成分、缺陷、原子價(jià)態(tài)等信息，這就是目前各類表面分析的基本原理。 6，為什么xps可獲得表面信息，而x射線衍射只能獲得體信息？ x射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)發(fā)生一系列效應(yīng)。其中，x射線從物質(zhì)中激發(fā)出光電子被應(yīng)用于xps中，而x射線的相干散射被應(yīng)用于x射線衍射中。 xps方法以x射線光電子的能量來(lái)鑒別化學(xué)元素，而x射線

11、光電子在逸出的路上自由程很短，實(shí)際能探測(cè)的信息濃度只有表面幾個(gè)至十幾個(gè)原子層，因而xps可獲取表面信息。 而x射線信號(hào)產(chǎn)生的深度和廣度較大，同時(shí)有表面信號(hào)與體信號(hào)，體信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于表面信號(hào)，所以只能獲得體信息。 3 7，利用光電子能譜（xps）和俄歇（auger）電子能譜（aes）進(jìn)行表面分析的基本原理和應(yīng)用范圍。 xps aes 高能電子束與樣品作用產(chǎn)生俄歇電子激發(fā)，只有樣品表面的俄歇電子能成功逸出，分析俄歇電子的能量，強(qiáng)度，峰的寬度，可獲得元素種類、含量與分布、以及化學(xué)態(tài)等信息。 在x射線的作用下，電子從物質(zhì)原子中被激發(fā)出來(lái)成為光電子。由于各種原子基本 軌道中電子的結(jié)合能是一定的，為各種

12、原理 元素的特征，因此可以根據(jù)光電子的能量來(lái)鑒別化學(xué)元素。測(cè)量光電子能量和強(qiáng)度分布，從而得到樣品的組成信息。 1）定性分析：eb是反映原子種類和價(jià)態(tài)的特征量。在入射光子能量(h)已知的前提下，只要測(cè)定發(fā)射出的光電子動(dòng)能(ek)，就能確定光電子結(jié)合能(eb)，從而判定表面成份及價(jià)態(tài)。 2)定量分析：根據(jù)光電子能譜的峰線強(qiáng)應(yīng)用 度（峰的積分面積）可求得樣品中各元范圍 素的相對(duì)含量。 3)表面能帶研究；當(dāng)入射光子能量大于21電子伏時(shí)，光電子發(fā)射的能量分布可以看作是價(jià)帶能態(tài)密度分布 4)表面氧化與吸附研究：表面氧化后，xps譜線將發(fā)生化學(xué)位移 1)定性分析：俄歇電子具有特定的能量，在實(shí)驗(yàn)中通常把俄歇電

13、子能譜的負(fù)峰的最小值定義為該元素的特征能量。在做元素定性分析時(shí)，只要把記錄到的俄歇電子峰的能量與已知元素的譜峰加以對(duì)照，就可以確定元素的種類。 2)定量分析：根據(jù)俄歇電流的大小來(lái)測(cè)定表面元素的相對(duì)含量 3)化學(xué)狀態(tài)分析：原子的化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，俄歇電子能譜也能觀察到化學(xué)位移。 4)深度剖面分析 8，透射電子顯微鏡有哪幾種工作模式，它們可獲得材料的什么信息？ 工作 模式 影像模式 衍射模式 通過(guò)透射電子顯微鏡的電子衍射譜，可得到材料的結(jié)構(gòu)信息：晶體點(diǎn)陣的類型和點(diǎn)陣常數(shù)；晶體的相對(duì)方位和取向；與晶粒的尺寸大小、孿晶等相關(guān)的晶體缺陷的顯微結(jié)構(gòu)信息。 可得到樣品的形貌襯度像。具體有可獲 (1)振幅襯

14、度：明場(chǎng)像(利用透射電子取的 束)；暗場(chǎng)像(利用衍射電子束)（2）信息 相位襯度：同時(shí)利用透射電子束與衍射電子束 9，掃描電子顯微鏡的二次電子像和背反射電子像的成像原理。 二次電子成像原理： 二次電子的產(chǎn)額與入射電子束與樣品表面法線的夾角有關(guān)，與cos成反比，入射電子強(qiáng)度一定的情況下，由二次電子的信息可得入射點(diǎn)處的形貌信息。入射電子束在樣品上掃描，收集二次電子的信息，可得到樣品的形貌圖像。 背反射電子成像原理： 入射電子束打到樣品上，存在一部分與入射電子能量相當(dāng)?shù)姆瓷浠貋?lái)的電子，而且反射電子的強(qiáng)度與樣品表面原子的序數(shù)有關(guān)，隨原子序數(shù)的增大而緩慢提高，存在比例關(guān)系。入射電子束在樣品上掃描，收集背

15、反射電子的信息，可得到樣品的成分襯度圖像。 4 10，說(shuō)明電子束的基本特征，舉出幾種利用電子束的波動(dòng)性和粒子性的分析技術(shù)。 電子束的基本特征： 1）電子源容易獲得。2）檢測(cè)容易。3）電子對(duì)所有元素都有較強(qiáng)的相互作用，其散射幾率比x射線大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。4）近代電子束的聚焦技術(shù)好，分辨率較高。5）電子束不會(huì)導(dǎo)致高真空環(huán)境的污染。 利用電子的波動(dòng)性的分析技術(shù)： 1）透射電子顯微鏡（tem）。2）低能電子衍射（leed）。3）高能電子衍射（heed） 利用電子的粒子性的分析技術(shù)： 1）紫外光電子能譜（ups）。2）俄歇電子譜（aes）。3）x射線光電子能譜（xps）。4）掃描電子顯微鏡（sem）。 11

16、，什么是電子結(jié)合能的位移？?jī)r(jià)帶能態(tài)密度可采用什么方法測(cè)試，簡(jiǎn)述其原理。 電子結(jié)合能位移： 原子內(nèi)殼層電子的結(jié)合能受到核內(nèi)、外電荷分布的影響。任何引起這些電荷分布發(fā)生變化的因素，都可能使原子內(nèi)殼層電子的結(jié)合能產(chǎn)生變化，在光電子能譜圖上可以看到光電子譜峰的位移，這種現(xiàn)象稱為電子結(jié)合能位移。 價(jià)帶能態(tài)密度可用xps測(cè)試。固體價(jià)帶中的電子狀態(tài)的能量分布由能態(tài)密度來(lái)表示，某一能量x射線光電子的數(shù)量與對(duì)應(yīng)能量的表面能態(tài)密度成正比，當(dāng)入射光子能量大于21ev時(shí)，光電子發(fā)射譜的能量分布可以看作是價(jià)帶能態(tài)密度分布。 12，表面的定義，什么是清潔表面和實(shí)際表面？ 表面：兩種不同相的交界區(qū)域稱為表面。通常指凝聚相與氣相、液相的界面，不是幾何意義上的平面，具有一定的過(guò)度區(qū)。 清潔表面：清潔表面是指反映材料本征特性的表面。它應(yīng)當(dāng)是在經(jīng)腐蝕、解理、離子刻蝕等處理，除去吸附層、氧化層、表面損傷層后的表面。只能在高真空環(huán)境下依存的表面。 實(shí)際表面：經(jīng)過(guò)一定處理后，保存在通常環(huán)境下的固體表面。 理想表面：將一無(wú)限大的晶體分成兩部分所形成的表面。表面的原子排列與體內(nèi)完全一致，這就是通常物理學(xué)、化學(xué)學(xué)所討論的“表面”。 13，什么是表面的tlk模型？表面缺陷產(chǎn)生的原因是什么？ 表面不是原子級(jí)的平坦，上面有平臺(tái)（terrace），臺(tái)階（ledge）和扭曲（kink），這種方