金属功函数仪
实验金属电子逸出功的测定
大学物理实验
作业：
完成本次实验的数据处理，预习下一次实验内容。
25.0V、36.0V、49.0V、64.0V……144.0V电压，分
别测出对应的阳极电流Ia，记录相应的数据.
大学物理实验
5.二极管的灯丝电流，每次增加0.050A，重复上述测 量，直至0.800A。每改变一次灯丝电流都要预热5 分钟 。
6.测得的数据填入表格，进行数据处理 。
不同灯丝电流时灯丝的温度值
肖脱基效应：外加电场Ea使逸出功减小，发射电流 增大的现象
Ia I0 exp(0.439 Ea / T)
L (3)
式中Ia和I0分别是加速电场为Ea和零时的发射电流
对（3）式取对数得
lg
Ia
lg
I0
0.439 2.30
Ea / T
L (4)
大学物理实验
将电场E用电压V来代替得：
lg
Ia
lg
I0
0.439 2.30
%
大学物理实验
注意事项：
由于理想二极管工艺制作上的差异，本仪器内装 有理想二极管限流保护电路，请不要将灯丝电流超 过0.80A
大学物理实验
思考题：
1. 影响本实验结果的误差有那些因素？ 2. 什么是逸出功？改变阴极温度是否改变了阴极
材料的逸出功？ 3. 理查孙直线法有何优点？ 4. 灯丝电流为何要保持稳定？测量中，每次改变
电流I0。
T5>T4>T3> T2> T1 图5 由lgIa～直线确定lgI
(I以uA 为单位）
大学物理实验
实验内容及步骤：
1.熟悉仪器装置并接线 。 2.将仪器面板上的电位器旋钮逆时针旋到底，接通电
光电效应 光子 光的量子
【例】求在离一个P发射=1.5W光源 R=3.5m 处 的钾箔需要多长时间的照射才能逐出电子。 关键点：假设光源向四周均匀、连续、平稳 地发射，钾箔对光完全吸收，吸收过程是钾 单个原子对光的吸收。已知钾的功函数为 F=2.2eV 解： 一方面，全吸收意味着 P发射=P吸收 另一方面，如果电子要被逐出，其获得的能 量ΔE应该等于功函数Φ，因此
密立根由于研究基本电荷 和光电效应，特别是通过 著名的油滴实验，证明电 荷有最小单位，获得1923 12 年诺贝尔物理学奖
不同金属的功函数
如何从上图中估计出功函数的大小？
13
红外线夜视仪
14
光电倍增管
15
第 39 章 光子和物质波
§＊ 20世纪初的物理学 §＊ 黑体辐射 §3 光电效应 §2 光子、光的量子 §4 光子具有动量 §5 光作为一种概率波 §6 电子和物质波 §7 薛定谔方程 §8 海森堡不确定原理 §9 势垒隧穿
DE F Dt = = P P 吸收 吸收
6
与光强 I 和单个钾原子截面积 A 的关系 DE F F F F Dt = = = = = 2 P P P发射 IA I (p r ) 吸收 吸收 利用球面波假设，光强 P发射 典型原子半径 I= -31 2 r = 5.0 ´ 10 m 4p R 于是 4p R 2 F (4p )(3.5m) 2 (3.5 ´10-19 J) Dt = = P发射 A (1.5W )p (5.0 ´10-11 m) 2
Vstop(V) 2.0 1.0 0.0 4.0 6.0 Cs Na Ca
f 8.0 10.0 (1014Hz)
11
h = eK
爱因斯坦1921年获得了诺贝尔物理奖。
1868 — 1953 1879 — 1955 爱因斯坦由于对光电效 应的理论解释和对理论 物理学的贡献， 获得 1921年诺贝尔物理学奖
【CN109904233A】金属栅功函数的调节方法及MOSFET的制备方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910107631.6(22)申请日 2019.02.02(71)申请人 中国科学院微电子研究所地址 100029 北京市朝阳区北土城西路3号(72)发明人 张韫韬 罗军 许静 (74)专利代理机构 北京康信知识产权代理有限责任公司 11240代理人 韩建伟(51)Int.Cl.H01L 29/78(2006.01)H01L 21/336(2006.01)H01L 21/02(2006.01)(54)发明名称金属栅功函数的调节方法及MOSFET的制备方法(57)摘要本发明提供了一种金属栅功函数的调节方法及MOSFET的制备方法。
该调节方法包括以下步骤：S1，提供表面具有第一栅介质层和第二栅介质层的衬底，第一栅介质层和第二栅介质层位于衬底的不同区域上；S2，分别在第一栅介质层和第二栅介质层上沿远离衬底的方向顺序形成TaN 层和TiN层，然后去除位于第一栅介质层上的TiN 层，第一栅介质层上的TaN层具有远离的衬底的第一表面，第二栅介质层上的TiN层具有远离的衬底的第二表面；S3，分别在第一表面和第二表面上形成TiAl层后去除各TiAl层。
在除去NMOS中功函数金属TiAl的同时能够使NMOS的功函数保持调节后的状态不变，使得栅极厚度明显减小。
权利要求书1页 说明书6页 附图4页CN 109904233 A 2019.06.18C N 109904233A权 利 要 求 书1/1页CN 109904233 A1.一种金属栅功函数的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，提供表面具有第一栅介质层(210)和第二栅介质层(220)的衬底(10)，所述第一栅介质层(210)和所述第二栅介质层(220)位于所述衬底(10)的不同区域上；S2，分别在所述第一栅介质层(210)和所述第二栅介质层(220)上沿远离所述衬底(10)的方向顺序形成TaN层(40)和TiN层(50)，然后去除位于所述第一栅介质层(210)上的所述TiN层(50)，所述第一栅介质层(210)上的所述TaN层(40)具有远离所述的衬底(10)的第一表面，所述第二栅介质层(220)上的所述TiN层(50)具有远离所述的衬底(10)的第二表面；S3，分别在所述第一表面和所述第二表面上形成TiAl层(60)后去除各所述TiAl层(60)。
金属和半导体接触引言金属与半导体接触类型1整流接触
第七章 金属和半导体接触引言：金属与半导体接触类型：1、 整流接触：金属与轻掺杂半导体形成的接触表现为单向导电性，即具有整流特性，但电流通常由多子所荷载。
由于这种器件主要靠电子导电，消除了非平衡少子的 存储，因而频率特性优于p –n 结；又由于它是在半导体表面上形成的接触，便于散热，所以可以做成大功率的整流器；在集成电路中用作箝位二极管，可以提高集成电路的速度，通常称为肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管。
2、 欧姆接触：这种接触正反向偏压均表现为低阻特性，没有整流作用，故也称为非整流接触。
任何半导体器件最后都要用金属与之接触并由导线引出，因此，获得良好的欧姆接触是十分必要的。
§7.1 金属半导体接触及其能带图本节内容：1、 金属和半导体的功函数2、 接触电势差3、 阻挡层与反阻挡层4、 表面态对接触势垒的影响课程重点：金属的功函数：在绝对零度的电子填满了费米能级F E 以下的所有能级，而高于F E 的能级则全部是空着的。
在一定温度下，只有F E 附近的少数电子受到热激发，由低于F E 的能级跃迁到高于F E 的能级上去，但是绝大部分电子仍不能脱离金属而逸出体外，这说明金属中的电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数所处的能级都低于体外能级。
要使电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的能量。
所以，金属内部的电子是在一个势阱中运动。
用0E 表示真空中静止电子的能量，金属功函数的定义是0E 与F E 能量之差，用m W 表示，即m F m E E W )(0-=它表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。
功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，m W 越大，电子越不容易离开金属。
半导体的功函数和金属类似：即把真空电子静止能量0E 与半导体费米能级S F E )(之差定义为半导体的函数，即s F s E E W )(0-=。
因为半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以半导体的功函数也与杂质浓度有关。
XPS与XRD区别
XPS与XRD区别一、X射线衍射基本介绍即X-ray diffraction ，X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。
[编辑本段]布喇格定律X射线介绍X射线是一种波长很短(约为20～0.06┱)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。
在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中,包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征（或标识）X射线。
定律由来考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离(10-8nm)相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。
分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。
这一预见随即为实验所验证。
1913年英国物理学家布喇格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式──布喇格定律：2d sinθ=nλ式中λ为X射线的波长，n为任何正整数，又称衍射级数。
其上限为以下条件来表示：nmax=2dh0k0l0/λ，dh0k0l0<λ/2只有那些间距大于波长一半的面族才可能给出衍射，以此求纳米粒子的形貌。
满足定律的条件当X射线以掠角θ(入射角的余角)入射到某一点阵平面间距为d的原子面上时,在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。
布喇格定律简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。
当X射线波长λ已知时(选用固定波长的特征X 射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布喇格条件的反射面得到反射,测出θ后，利用布喇格公式即可确定点阵平面间距、晶胞大小和类型;根据衍射线的强度,还可进一步确定晶胞内原子的排布。
第一性原理研究贵金属Co、Rh、Ir的表面能和表面功函数
Ｊ１ ０ ０ ｕ ．２ １
文章 编 号 ：００５６ （００ ０—．００ １０－８２ ２１ ）４０４—６ ３
第一 性原 理研 究贵 金属 Ｃ 、 ｈ Ｉ 的 ｏＲ 、 ｒ 表 面 能 和 表 面 功 函 数
曾祥 明 ， 欧 阳楚英 ， 雷敏 生 ， 一 ， ２
（． Ｉ江西师范大学 物理与通信电子学 院， 江西 南 昌 ３０ ２ ； ． ３０ ２２ 江西省光 电子重点实验室 ， 江西 南昌 ３０２ ） ３０ ２
验 对其进行 了研究 ． 很多 先进材料 表 面的加 工处理 过程 至关 重要 ， 各种 电学 、 学 、 如 磁 光学 设 备 ， 传感 器 、 催 化剂 、 质涂层 等 ． 硬 因此 ， 深人 认识 金属 的表 面 性质 对 高新 技 术 的发 展 具 有推 动 作 用 ． 面 能 和功 函数 是 表
杂［ ］然而 ， ． 通过第 一性 原理从 头计算 的方法 ， 够 比较 方便 地计 算 不 同表 面 的 功 函数 ， 理 论上 估 算 出 能 从
这些 贵金属 的表面 功 函数 ． 本文 应用基 于密度 泛 函理 论 （ ｅｓｙＦ ｎｔ ｎｌ ｈｏ ， 称 Ｄ ｒ Ｄ ｎｉ ｕ ｃ ｏａ Ｔ ｅｒ 简 ｔ ｉ ｙ Ｆ ）的第 一性 原 理 计 算方 法 ， 究 了 Ⅷ一 研 Ａ 族 元素 中的 Ｃ 、 ｈ Ｉ 同具有 ７外层 电子结 构 ） 种 金属 的 ３个低 密勒指 数表 面（ ０ ） （ １ ） （ １ ） ０Ｒ 、 （ ｒ ３ １０ 、 １０ 和 １１ 的表 面 能及功 函数 ， 这些计算 结果 和实验 进行 比较 ， 算结 果 和实验 符合 得较 好 ， 对 计 并从 物 理上 对这 些 计算 结 果进
第 ３ 卷第 ４期 ４
２１ ００年 ７ 月
半导体的欧姆接触
半导体的欧姆接触(2012-03-30 15:06:47)转载▼标签：杂谈分类：补充大脑1、欧姆接触欧姆接触是指这样的接触：一是它不产生明显的附加阻抗；二是不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。
从理论上说，影响金属与半导体形成欧姆接触的主要因素有两个：金属、半导体的功函数和半导体的表面态密度。
对于给定的半导体，从功函数对金属－半导体之间接触的影响来看，要形成欧姆接触，对于n型半导体，应该选择功函数小的金属，即满足Wm《Ws，使金属与半导体之间形成n型反阻挡层。
而对于p型半导体，应该选择功函数大的金属与半导体形成接触，即满足Wm》Ws，使金属与半导体之间形成p型反阻挡层。
但是由于表面态的影响，功函数对欧姆接触形成的影响减弱，对于n型半导体而言，即使Wm《Ws，金属与半导体之间还是不能形成性能良好的欧姆接触。
目前，在生产实际中，主要是利用隧道效应原理在半导体上制造欧姆接触。
从功函数角度来考虑，金属与半导体要形成欧姆接触时，对于n型半导体，金属功函数要小于半导体的功函数，满足此条件的金属材料有Ti、In。
对于p型半导体，金属功函数要大于半导体的功函数，满足此条件的金属材料有Cu、Ag、Pt、Ni。
2、一些常用物质的的功函数物质Al Ti Pt In Ni Cu Ag Au功函数4.3 3.95 5.35 3.7 4.5 4.4 4.4 5.203、举例n型的GaN——先用磁控溅射在表面溅射上Ti/Al/Ti三层金属，然后在卤灯/硅片组成的快速退火装置上进行快速退火：先600摄氏度—后900摄氏度——形成欧姆接触；p型的CdZnTe——磁控溅射仪上用Cu－3％Ag合金靶材在材料表面溅射一层CuAg合金。
欧姆接触[编辑]欧姆接触是半导体设备上具有线性并且对称的果电流-这些金属片通过光刻制程布局。
低电阻，稳定接触的欧姆接触是影响集成电路性能和稳定性的关键因素。
它们的制备和描绘是电路制造的主要工作。
X射线光电子能谱(XPS)的基本原理及应用
85.1 4.68 10.22
BSCCO膜（超导材料）
2.元素化合价及化学态的确定
俄歇参数：俄歇电子动能与光电 子动能差（加X射线能量）。
有机物分子
3.成像XPS（XPS image)
XPS可对元素及其化学态进 行成像，绘出不同化学态的 不同元素在表面的分布图像。
4.深度剖析（depth profile)
X射线光电子能谱（XPS)的基 本原理及应用
西北有色金属研究的基本原理 XPS的应用
二.
三.
一、引言
电子能谱
电子能谱：是最常用的一种表面分析技术，多种表面分析技术集 合的总称，测量样品中发射电子的动能，分析电子结合能，主要 包括XPS,AES和UPS。 X 射线光电子能谱 （XPS) Auger 电 子 能 谱 (AES)
界面间物质的互扩散
刻蚀5s/层
Te3d5/2
Cr2p3/2
Cr/Te界面处元素的互扩散情况。突变界面，扩散很少。
8000000
Au4f
Au4d
Au4p3/2
Cr2p
6000000
Intensity
4000000
2000000
0 0 100 200 300 400 500 600 700 800
Binding Energy(eV)
二、XPS基本原理
内层电子吸收光子，逃逸出样品表面， 成为光电子，根据能量守恒： hv=Eb+Φ s+Ek+Er 其中 hv为X射线能量 Eb为电子结合能 Φ s为样品功函数 Ek为光电子动能 Er为反冲能（很小，可以忽略）
内电子层
Er
Ek
Evac
真空能级
Φs
材料元素和成分分析表征方法
– 本底为轫致辐射（非弹 性散射的一次和二次电 子产生）：高结合能的 背底电子多，随结合能 的增高呈逐渐上升趋势
XPS：谱图
• 典型谱图
– 本征信号不强的XPS谱图 中，往往有明显“噪音” • 不完全是仪器导致 • 可能是信噪比太低， 即待测元素含量太少
– 增加扫描次数、延长 扫描时间 噪音
XPS XPS中的化学位移
❖对少数系列化合物，由NMR(核磁共振波 谱仪)和Mossbauer谱仪测得的各自的特 征位移量同XPS测得的结合能位移量有 一定的线性关系。
❖XPS的化学位移同宏观热力学参数之间 有一定的联系。
电子能谱
电子能谱
电子能谱
Si 上生长 TiN/SiO2薄膜的深度断面分析
1
23
-(-O-C-
3 22 2
-C-O-CH2-CH2-)n-
= =
O
O
1
1
实验值 理论值
C(1)
65 at% 60 at%
C(2)
23 at% 20 at%
C(3)
12 at% 20 at%
O(1)
51 at% 50 at%
O(2)
49 at% 50 at%
电子能谱
• 峰的位移
– 化学位移
• 原子所处的化学环境不同而引起的内层电子结合能的变化， 在谱图上表现为谱峰的位移，这一现象称为化学位移
amine
C-N
alcohol, ether C-O-H, C-O-C
fluorocarbon C-F
carbonyl
C=O
2F bound to a carbon -CH2CF23F bound to a carbon -CF3
第一性原理研究贵金属Co、Rh、Ir的表面能和表面功函数
第一性原理研究贵金属Co、Rh、Ir的表面能和表面功函数曾祥明;欧阳楚英;雷敏生【摘要】应用基于密度泛函理论的第一性原理计算了Co、Rh、Ir等3种贵金属的3个低密勒指数表面(100)、(110)和(111)的表面能及功函数.对Co、Rh、Ir的3个不同表面的计算结果进行了对比与分析,计算值和实验值符合得较好.对于Ir(100)表面,以表面能和功函数作为Slab层数的函数研究了它们的收敛性,计算结果表明表面能收敛于0.01 J/m2,功函数收敛于0.04 eV.【期刊名称】《江西师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(034)004【总页数】6页(P340-345)【关键词】第一性原理;表面能;功函数;密度泛函理论【作者】曾祥明;欧阳楚英;雷敏生【作者单位】江西师范大学,物理与通信电子学院,江西,南昌,330022;江西省光电子重点实验室,江西,南昌,330022;江西师范大学,物理与通信电子学院,江西,南昌,330022;江西省光电子重点实验室,江西,南昌,330022;江西师范大学,物理与通信电子学院,江西,南昌,330022;江西省光电子重点实验室,江西,南昌,330022【正文语种】中文【中图分类】O481随着当今科学和技术的发展,表面科学已经越来越显示出其在基础研究领域中的重要性,而其中一个重要的课题就是研究固体表面上发生的物理和化学反应过程.2007年10月德国Gerhard Ertl教授因为他在研究固体表面化学反应方面的工作而获得了诺贝尔奖[1].研究固体表面上的物理和化学反应,首先必须了解表面的基本性质,如表面能、表面功函数等[2].在催化工业领域中,以Rh、Ir、Pt、Pd、Ru等为代表的Ⅷ-A族贵金属具有非常重要的作用,在很多化学反应中都是最好的催化剂[3-5].由于这些贵金属表面性质在很多领域都具有广泛应用,近来有大量的理论和实验对其进行了研究[6-7].很多先进材料表面的加工处理过程至关重要,如各种电学、磁学、光学设备,传感器、催化剂、硬质涂层等.因此,深入认识金属的表面性质对高新技术的发展具有推动作用.表面能和功函数是描述金属表面电子特性的2种最基本的物理量,它们对解释各种表面现象具有重要意义[8].表面能是描述金属表面基本属性的重要参数,它在解释各种物理化学过程(如晶格生长、催化)中起着决定性作用.用实验测表面能通常比较复杂,通过第一性原理计算的方法能很好地弥补实验数据的不足.功函数是描述金属表面特性的另一个重要参数,它对解释很多表面现象(如表面吸附等)具有决定性作用[9].在多数情况下,功函数的实验值仅适用于多晶材料,实验上测量金属功函数非常复杂,特别是要确定金属在不同表面上功函数的差异,不仅需要纯度高的、颗粒粒度比较大的金属单晶体,而且实验工艺也非常复杂[10-12].然而,通过第一性原理从头计算的方法,能够比较方便地计算不同表面的功函数,从理论上估算出这些贵金属的表面功函数.本文应用基于密度泛函理论(Density Functional Theory,简称DFT)的第一性原理计算方法,研究了Ⅷ-A族元素中的Co、Rh、Ir(同具有7外层电子结构)3种金属的3个低密勒指数表面(100)、(110)和(111)的表面能及功函数,对这些计算结果和实验进行比较,计算结果和实验符合得较好,并从物理上对这些计算结果进行了分析. 采用基于密度泛函理论第一性原理方法和超软赝势平面波方法,用程序包VASP(Vienna ab initio simula-tion package)[13-14]进行计算.计算中选用缀加平面波赝势(PAW)[15-16],电子之间的交换关联能选用Perdew-Wang(PW91)[17]的广义梯度近似(generalized gradient approximation,GG A)[18],GG A理论已被广泛地运用于固体电子结构的计算中.布里渊区中使用Monkorst-Pack[19]k-点网格,k点数的选用满足在倒空间中k点分割小于0.1Å-1.计算中,对平面波切断能ENCUT及 k-points数目进行优化,再增大平面波切断能 ENCUT或 k-points数目,体系的总能量差小于1 meV.本文首先计算了面心立方(FCC)结构的金属Co、Rh、Ir平衡时的理论晶格常数,如表1所示,计算结果与实验值符合得较好,实验值和理论值误差大约为1%.表面能和功函数的计算采用周期性平板晶胞(Slab)模型来模拟表面[20].表面直接由体块切割得到,分别建立(100)、(110)、(111)表面模型,其原子结构如图1所示(左边为侧视图,右边为俯视图).从图1可以看出,3个表面中,(110)面的层间距最小,因此其面密度最小,而(111)面的层间距最大,因此其面密度最大.采用7层原子(2×2)的超原胞,真空区域的高度取15Å,从而可以忽略不同层晶之间的相互作用.在计算中,采用了选择性分子动力学的方法,把7层原子的中间一层固定,而对其他几层原子进行驰豫,直到所有原子间的受力小于0.01 eV/Å为止.在晶体进行表面切割过程中,由于要打断晶体内部的一些存在键,在表面形成悬挂键,因此体系能量上升,导致表面变得不稳定.表面能是一个衡量表面稳定性的指标,其定义为将一个晶体切割成2部分所需要的能量,也就是产生2个表面所需要的能量.在单原子晶体的Slab超晶胞中,表面能通常是按照单位面积上的总能变化来计算[21-22]其中 n表示Slab中包含原子的个数,Eslab是所选Slab超晶胞的总能,而 Ebulk是体材料每个原胞的能量(每个原胞包含一个原子).A是平板晶胞的表面积,2表示从体材料切割表面时产生了上下2个等价的表面.对于足够厚的Slab超晶胞,其内部性质和体材料性质非常相似,因而表面能将随着Slab厚度的增加而趋于稳定,若 Eslab与 Ebulk的精度完全一致,则方程(1)能精确求出表面能.然而,在计算中存在一些不可避免的差异(如k点网格不可能完全相同),体块和表面的精度也不可能完全一致,这将导致表面能σ随着n的增加而线性地出现偏差.为了更准确地计算表面能,本文采用如下方法[23]:体块能量 Ebulk不是由单独的体相计算得到,而是首先分别计算层数逐渐增加的Slab所对应的能量 Eslab(n),并拟合出 Eslab(n)与层数 n的关系,当 n足够大时由拟合的直线斜率来得出体块能量 Ebulk,这样就避免了由于参数不一致带来的误差.对于Ir(100)表面,通过计算原子层数分别为3、5、7、9、11、13的Slab超晶胞对应的表面能,探讨了表面能随Slab厚度的变化,如表2所示.从表2中可以看到,即使对于很薄的Slab,表面能的波动也很小,表面能很容易收敛到0.01 J/m2.由公式(1)计算得到的Co、Rh、Ir各表面的表面能如表3所示.在面心立方结构晶体的3个表面中,面密度从大到小依次是(111)、(100)、(110),从而层间距从大到小也依次是(111)、(100)、(110),由于原子间距越小相互作用越强,要切割表面越难,需要的能量越大,也即对应的表面能越大.因此,对面心立方的晶体,表面能的大小应该近似满足由表3可知,Co、Rh、Ir的(111)面表面能最小,是最稳定的表面.Co、Rh、Ir表面能的计算结果与(2)式的关系一致,由计算结果和实验值进行比较可知,理论值和实验值符合得较好.功函数定义为把固体中的一个电子转移到远离表面时所需要的能量,通常用Ф表示.在热发射中,固体中的电子克服势垒逃离到真空所需要的能量即为功函数,在场发射中,固体中电子通过量子隧道到达真空所经过的势垒高度为功函数.因此,功函数小的金属比功函数大的金属容易失去电子.在光电效应中,如果一个能量比功函数大的光子照射到金属上,则会发生光电发射.19世纪70年代Lang和K ohn第一次提出了利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理来计算单质的功函数,在Lang和 K ohn提出的jellium模型中,固体中的离子实和电子是均匀分布的,唯一的变量是电子密度[25].此后该理论得到了进一步的发展,它可以适用于更复杂的单质,如过渡金属和贵金属[26].在本文计算的Slab模型中,功函数由费米能级和远离表面的静电势能(取真空区域中间的值)计算得出,公式为即真空能级减去费米能级.首先以Ir(100)表面为例,测试了功函数和Slab原子层数的关系,通过逐渐增加Slab 的厚度,分别计算了3、5、7、9、11、13层原子的Slab的功函数,计算结果表明,当层数增加到7层时功函数就已经收敛,由表4可知功函数值并没有随层数的增加而趋于稳定,而是存在一定的上下震荡,这主要是由于量子尺寸效应造成的[27-28].因而,本文对功函数的计算,都采用了7层原子模型进行.图2描述了Co、Rh、Ir的静电势能沿垂直表面方向(z轴)的变化关系,Slab模型由7层原子组成,静电势能由驰豫后的Slab模型通过静态计算得到.从图2可以看出,在真空区域的势能曲线是一条平坦的直线,这说明势函数在真空区域已经收敛.真空区域取多大才能使势能函数收敛取决于Slab的厚度,在7层原子的Slab模型中真空区域取15Å就能保证功函数的收敛.由图2可知,3个表面的静电势能在原子层内的震荡强度从大到小依次是(111)、(100)、(110)面,这是由于原子之间的相互作用造成的,与分析表面能时的结果一致.由于(110)面层间距非常小,因此原子之间的相互作用非常强,导致在[110]方向上,也即(110)Slab中的z方向,金属的势函数变化非常小.对于(111)面,其面间距非常大,从而沿着[111]方向看,静电势起伏非常大,在靠近原子中心位置处,其势能非常低,而在2层原子中间,原子势场达到最大,其势函数达到了费米能级的大小.从整体上来看,金属是一个等势体,因此各个方向上,势函数的平均值应该相同.从图2可以看出,虽然不同方向上势函数波动很大,但同种金属的势函数在不同方向上的平均值基本相同.一般来说,表面能越大则功函数越小,因此功函数值的大小依次是表5总结了各个表面的功函数和相应的实验数据.从表5可以看出,Co、Rh、Ir的功函数计算结果基本满足(4)式的关系,实验值也与(4)式相符,计算结果与实验值符合得很好.对于很多金属,表面能和功函数的实验测量过程非常复杂,测量结果具有很大的不确定性,关于表面能和功函数的实验数据比较少,因此,第一性原理计算提供了一种准确估计表面能和功函数的方法.本文计算了Co、Rh、Ir的表面能和功函数,所有的结果都是基于密度泛函理论的第一性原理计算,交换关联能采用广义梯度近似(GG A),表面能和功函数的计算都是使用理论平衡晶格常数.计算结果收敛得很好,预示着这种计算方法是合理的.Co、Rh、Ir的表面能和功函数的计算结果符合理论预期的结果,并且与实验值符合得较好.对于Ir(100)表面,探讨了它的表面能和功函数与Slab模型原子层数的关系,计算结果表明,当Slab层数增加到7层时表面能和功函数都已经收敛.对于很多金属,表面能和功函数的实验结果都具有很大的不确定性和未知性,而本文的计算结果与实验值符合得比较好,这说明,第一性原理计算是能准确描述金属表面性质的重要方法,它很好地补充了实验数据的不足,为研究金属表面性质提供了一个很好的理论指导.【相关文献】[1] Ertl G.Dynamics of reactions at surfaces[J].Advances In Catalysis,2000,45:1-69.[2] Imbihl R,Ertl G.Oscillatory kinetics in heterogeneous catalysis[J].ChemicalReviews,1995,95:697-733.[3] Perry M C,Cui X H,Powell M T,et al.Optically active iridium imidazol-2-ylidene-oxazoline complexes:Preparation and use in asymmetric hydrogenation ofarylalkenes[J].Journal of the American Chemical Society,2003,125(1):113-123.[4] 张婷,雷敏生,邱新平.CO吸附于 PtRu合金(100)面上的DFT理论研究 [J].江西师范大学学报:自然科学版,2005,29(2):99-103.[5] 熊志华,欧阳企振,周珏,等.用第一性原理研究贵金属(Cu、Ag、Au)[J].江西师范大学学报:自然科学版,2005,29(5):445-448.[6] 颜超,吕海峰,张超,等.Pt(111)表面低能溅射现象的分子动力学模拟 [J].物理学报,2006,55(3):1351-1357.[7] Shetty S G,Jansen A PJ,van Santen R A.Theoretical investigation of NO dissociation on Ru(11(2)over-bar1)surface and nanoparticle[J].J Phys Chem C,2009,113(46):19749-19752.[8] Sa’adi H,Hamad B.First-priciples investigations of iridium low indexsurfaces[J].Journal of Physics and Chemistry of Solids,2008,69(10):2457-2464.[9] Skriver HL,Rosengaard N M.Surface energy and work function of elementalmetals[J].Phys Rev B,1992,46:11.[10] Helander M G,Greiner M T,Wang ZB,et al.Pitfalls in measuring workfunction using photoelectron spectroscopy[J].Applied Surface Science,2010,256(8):2602-2605.[11] JiaJ F,Inoue K,Hasegawa Y,et al.Local workfunctionfor Cu(111)-Au surface studied by scanning tunneling microscopy[J].Journal of Vacuum Science andTechnolagy,1997,15(6):1861-1864.[12] Livneh T,Asscher M.Work function study of the adsorption,lateral repulsion,and fragmentation of CH3Br on Ru(001)[J].J Phys Chem B,1997,101(38):7505-7519.[13] Kresse G,Hafner J.Ab initio molecular dynamics for liquid metals[J].Phys RevB,1993,47:558-561.[14] Kresse G,Furthmuller J.Characterization of carbon bondson theSiC(001)c(2×2)surface[J].Phys RevB,1996,54:10304-10307.[15] Blochl P E.Projector augmented-wave method[J].Phys Rev B,1994,50:17953-17979.[16] Kresse G,Joubert D.From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method[J].Phys Rev B,1999,59:1758-1775.[17] PerdewJ P,Wang Y.Accurate and simple analytic representation of the electron-gas correlation energy[J].Phys Rev B,1992,45:13244-13249.[18] PerdewJ P,ChevaryJ A.Atoms,molecules,solids,and surfaces:applicationsof the generalized gradient approximationfor exchange and correlation[J].Phys RevB,1992,46:6671-6687.[19] Monkhorst HJ,Pack J D.Special points for Brillouin-zone integrations[J].Phys RevB,1976,13:5188-5192.[20] Payne M C,Teter M P.Iterative minimization techniquesfor ab initio total-energy calculations:molecular dynamics and conjugate gradients[J].Rev Mod Phys,1992,64:1045-1097.[21] Stropp A,Kresse G.The shortcomings of semi-local and hybrid functionals:what we can learn from surface science studies[J].New J Phys,2008,10:63020-63036.[22] Gross A.Theoretical surface science:a microscopic perspective[M].Berlin:Springer,2003.[23] Fiorentini V,Methfessel M.Extracting convergent surface energies from slab calculations[J].J Phys Condens Matter,1996,8:6525-6529.[24] de Boer F R,Boom R,Mattens W C M,et al.Cohesion in metals[M].Amsterdam:North-Holland,1988.[25] Lang N D,K ohn W.Theory of metal surfaces:work function[J].Phys Rev B,1971(3):1215-1223.[26] Methfessel M,Hennig D,Scheffler M.Trends of the surface relaxations,surface energies,and work functions of the 4d transition metals[J].Phys Rev B,1992,46:4816-4829.[27] Wei C M,Chou M Y.Theory of quantum size effects in thin Pb(111)films[J].Phys Rev B,2002,66:233408-233411.[28] 冯庆.锐钛矿型TiO2空位缺陷性质的第一性原理研究 [J].重庆师范大学学报:自然科学版,2009,26(1):78-81.[29] Nieuwenhuys B E,Bouwman R,Sachtler W M H.The changes in work function of group Ib and Ⅷmetals on xenon adsorption,determined by field electro n and photoelectron emission[J].Thin Solid Films,1974,21(1):51-58.[30] Strayer R W,Mackie W,Swanson L W.Work function measurements by the field emission retarding potential method[J].Surf Sci,1973,34(2):225-248.[31] Yuichi Ikuno,K oichi Kusakabe.A determination method of the work function using the slab model with a first-principles electronic structure calculation[J].E-J Surf Sci Nanotech,2008,6:103-106.[32] Michaelson H B.The work function of the elements and its periodicity[J].J Appl Phys,1977,48(11):4729-4733.。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
金属功函数仪
一、什么是金属功函数仪？
金属功函数仪是一种用于测量金属材料功函数的仪器。
功函数是指金属材料中电子从费米能级（Fermi Level）到真空能级（Vacuum Level）的能量差。
金属材料的
功函数对于理解其电子结构、电子传输性质以及与其他材料的界面相互作用等方面具有重要意义。
二、金属功函数的意义
金属功函数是研究金属材料的基本参数之一，它能够提供关于金属材料电子结构和表面性质的重要信息。
金属功函数的测量可以帮助我们了解以下几个方面的内容：
2.1 电子结构
金属功函数可以反映金属材料中电子的能级分布情况。
通过测量不同金属材料的功函数，我们可以了解金属材料中电子的能量分布情况，从而揭示其电子结构的特征。
2.2 电子传输性质
金属功函数与电子传输性质之间存在着密切的关系。
金属材料的功函数可以影响电子在金属中的传输行为，如电子的输运能力和电子的逸出行为等。
通过测量金属材料的功函数，我们可以预测金属材料的电子传输性质，并为材料的应用提供基础数据。
2.3 界面相互作用
金属材料与其他材料的界面相互作用是很多领域的研究重点之一，如光电子学、催化剂等。
界面的性质与金属材料的功函数密切相关。
通过测量金属材料的功函数，我们可以了解金属与其他材料界面的电子能级对齐情况，从而揭示界面的相互作用机制。
三、金属功函数的测量方法
测量金属功函数的常用方法有以下几种：
3.1 光电子能谱（Photoemission Spectroscopy, PES）
光电子能谱是一种常用的测量金属功函数的方法。
它利用光子激发金属表面的电子，测量电子从金属表面逸出的能量，从而得到金属的功函数。
光电子能谱具有高分辨率和较高的灵敏度，可以提供金属表面电子结构的详细信息。
3.2 光电子发射显微镜（Photoemission Electron Microscopy, PEEM）
光电子发射显微镜是一种结合了光电子能谱和显微镜技术的测量方法。
它可以通过在不同位置测量光电子能谱，得到金属表面功函数的空间分布信息。
光电子发射显微镜在研究金属表面的局域性质和界面相互作用等方面具有重要应用。
3.3 电子能谱仪（Electron Energy Analyzer）
电子能谱仪是一种通过测量电子能量分布来确定金属功函数的仪器。
它利用电子在电场中的运动特性，测量电子的能量和动量，从而得到金属材料的功函数。
电子能谱仪具有较高的能量分辨率和较宽的能量范围，可以应用于不同金属材料的功函数测量。
四、金属功函数仪的应用
金属功函数仪在材料科学、表面物理、能源材料等领域具有广泛的应用。
以下是金属功函数仪的一些主要应用：
4.1 材料表征
金属功函数仪可以用于材料表征，了解金属材料的电子结构和表面性质。
通过测量金属材料的功函数，可以评估材料的电子传输性质、界面相互作用等参数，为材料的设计和应用提供基础数据。
4.2 界面工程
金属功函数仪可以用于界面工程的研究。
通过测量金属与其他材料界面的功函数，可以揭示界面的相互作用机制，指导界面工程的设计和优化。
界面工程在光电子学、催化剂等领域具有重要应用价值。
4.3 薄膜生长
金属功函数仪可以用于研究薄膜生长的机制和性质。
通过测量金属薄膜的功函数，可以了解薄膜的电子结构和界面性质，指导薄膜生长的控制和优化。
4.4 电子器件
金属功函数仪在电子器件研究中具有重要应用。
通过测量金属材料的功函数，可以评估材料的电子传输性质和界面特性，为电子器件的设计和性能优化提供基础数据。
五、总结
金属功函数仪是一种用于测量金属材料功函数的重要仪器。
金属功函数的测量对于理解金属材料的电子结构、电子传输性质以及与其他材料的界面相互作用等方面具有重要意义。
金属功函数仪的应用涵盖了材料科学、表面物理、能源材料等多个领域。
通过测量金属材料的功函数，我们可以揭示材料的基本特性，为材料的设计和应用提供基础数据。