中科院大学固体表面物理化学笔记Jeveels

1.Introduction

✧表界面的分类：气-液；气-固；液-液；液-固；固-固

✧表面浓度

✧分散度

✧表面形貌非均匀性

原因：由于固体表面原子的组成、排列、振动状态和体相原子的不同，由于悬挂键导致的化学性质活泼，以及周期性的势场中断导致的表面电子状态差异，固体表面形成很多导致表面形貌非均匀性的元素。

✧位错密度

✧表面粗糙度：

✧原矢

✧米勒指数（miller index）

✧晶面间距d hkl

✧

表面原子最近邻数100 110 111 Fcc 8 7 9 Bcc 4 6 4 Sc 5 4 3 ✧

✧表面自由能

✧减小表面能的方法

✧表面原子重排机理

1：表面弛豫作用

2：表面相转变

3：吸附对纯净底物表面结构的影响

层间距的变化；重组的表面结构的变化；吸附原子可以诱导表面重组

内外表面

内表面：多孔或多层材料，孔内或层间的表面

比表面积：单位质量材料的表面积；用BET方法测量

2.固体表面性质简介

固体表面的性质

结构特征：不同的位置有不同的性质

表面运动：气体分子表面撞击速度；

表面扩散系数（爱因斯坦方程）：

外延生长原子的运动流程：a沉积/吸附在平台上-deposition；b沉积在原子岛上；c平台上扩散-diffusion；d脱附-desorption；e成核-nucleation；f交互扩散-interdifusion；g 粘附在平台上-attachment；h从平台上脱离-detachment；i：粘附在台阶上

化学性质：表面浓度依赖于气体分子撞击速度R

相界面（Gibbs界面）

表面热力学函数

其他类推：S，G，G s

比表面自由能与温度的关系

; ;

Van der Waals and Guggenheim Equation:

Where: T c为临界温度；为0Kし的表面张力

；

固体表面能的理论估算

金属表面张力估算

；

偏析作用

来自晶体或固溶体中的杂质或溶质在界面聚集的现象

表面偏析公式：

正规溶液参数

扩散

扩散：由热运动引起杂质原子、基质原子或缺陷输运的过程

原因：原子或离子分布不均匀，存在浓度梯度，产生定向扩散

扩散机理：间隙扩散，空位扩散，环形扩散

表面扩散

靠吸附原子或平台空位的运动实现。

一维随机行走理论：表面原子通过扩散进行迁移，原子运动方向移动，每次跳跃距离等长d，将原子加以标记，温度T下，净距离为x，有Einstein方程

吸附的基本过程

1：反应物扩散到活性表面；2一个或者多个反应物吸附在表面上；3表面反应；4产品从表面脱附；5产品从表面扩散出去

吸附动力学

; 其中x为动力学级数；p为分压

; E a活化能

; ; ;

S粘着几率；F入射分子流；表面覆盖率函数

吸附方式

物理吸附：Van der Waals Force；电荷密度轻度分布

化学吸附：化学键，电子密度重排，完全离子键，完全共价键

几种元素的化学吸附

氢气（H2）：没有与基地原子相互作用的电子；分子-氢过渡金属复合物

氢原子（H）：氢原子与基地原子独立相互作用

卤素（F2, Cl2, Br2, etc）：以离解的方式给出卤素原子的吸附；与金属形成强的离子键氧气（O2）：在金属表面以分子形式吸附，氧分子作为给体，金属作为受体

氧原子（O）：占据最高有效配体位置；强的相互作用导致表面的扭曲或者重组

！离解氧吸附是不可逆过程；加热可以导致化合物的扩散或者形成

氮气（N2）：低强度M-N键，ゆ很难破坏的NN三键

一氧化碳（CO）：①活化表面：解离，分别形成氧化物へ碳氧化合物；②d区金属：弱的M-CO分子键，加热脱附；③过渡金属：对温度へ表面结构敏感

氨气（NH3）：

不饱和碳氢化合物：

化学吸附气体的排列规则

1：紧密堆积：尽可能形成最小单胞

2：转动对称性ゆ基地相同

3：类似体相单胞矢量：单层（基地）；多层（本体）

化学吸附层表面结构分类：

1：在顶上化学吸附：停留在表面，不扩散到体相内部

2：共吸附表面结构：吸附强度相近的两种气体同时吸附

3：重组的表面结构：表面原子重排，し体相的化学反应の前驱

4：无定形表面结构：有序结构の形成扩散过程

5：三维结构：扩散到体相内部の表面吸附

脱附过程

1：气相产物或者其他表面物质的分解；2：表面化合物の反应后者扩散；3：脱附到气相中

脱附动力学

; 其中x为动力学级数(单分子或者原子脱附x=1；联合分子脱附x=2)；N 为吸附物种表面浓度；k脱附速率常数

; 活化能

;

表面滞留时间

平均时间：

;

表面态

表面局部的电子能级

表面上附着电荷表明表面上存在着し电子局限于表面的量子态。

表面态有两种：一是固有的，二是外来物类或表面缺陷引起的

固有表面态

量子力学证明一个固体，即使是纯净的へ完整的晶体，在其表面上仅仅因为体相周期性被破坏，就将导致表面局部能级的出现。分为Shockley态へTamm态

表面空间电荷效应

双电层：正负电荷分开

平行板电容器簡単さ定律：;

Q净表面正电荷密度；：介电常数；真空绝对介电常数

空间电荷双电层：Schottky模型（假定靠近表面的空间电荷し不动的，并且在整个空间电荷区ゆ距离无关）

强氧化还原物类吸附引起的空间电荷效应

积累层：强还原剂吸附在n型半导体上或者强氧化剂吸附在p型半导体上，基体内主要载流子由吸附剂注入使之在表面空间电荷层内累积

反型层：强氧化剂吸附在n型半导体上或者强还原剂吸附在p型半导体上，基体内主要载流子注入吸附剂中，在表面空间电荷层出现ゆ基体相反的导电性。

能带弯曲

3.现代表面分析技术概况及应用

➢表面检测

几何结构的检测：原子重排，吸附位置，键角，键长

化学成份的检测：元素及其深度

理化性能的检测：氧化态，化学、电子及机械性能

➢测量技术要求

1：区分表面和体相，表面灵敏的；2：灵敏度非常高；3测量无污染表面，超真空；4