表面与界面物理思考题答案

1、表面与界面物理思考题答案 邓老师部分 . 2 1，原子间的键合方式及性能特点。 . 2 2，原子的外层电子结构，晶体的能带结构。 . 2 3，晶体（单晶体，多晶体）的基本概念，晶体与非晶体的区别。 . 2 4，空间点阵与晶胞、晶面指数、晶面间距的概念，原子的堆积方式和典型的晶体结构。 . 2 5，表面信息获取的主要方式及基本原理。 . 3 6，为什么xps可获得表面信息，而x射线衍射只能获得体信息？ . 3 7，利用光电子能谱（xps）和俄歇（auger）电子能谱（aes）进行表面分析的基本原理和应用范围。 . 4 8，透射电子显微镜有哪几种工作模式，它们可获得材料的什么信息？ . 4 9，扫

2、描电子显微镜的二次电子像和背反射电子像的成像原理。 . 4 10，说明电子束的基本特征，举出几种利用电子束的波动性和粒子性的分析技术。 . 5 11，什么是电子结合能的位移？价带能态密度可采用什么方法测试，简述其原理。 . 5 12，表面的定义，什么是清洁表面和实际表面？ . 5 13，什么是表面的tlk模型？表面缺陷产生的原因是什么？ . 5 14，什么是表面弛豫和表面重构？画出表面弛豫和表面重构的原子排列图。 . 5 15，为什么表面原子排列与体内不同，请比较重构与弛豫的异同，并解释si（111）21重构的成因。 . 6 16，纳米材料有哪些效应？ . 6 17，说明表面张力和表面自由能分

3、别用于什么情况。解释表面吸附对表面自由能的影响。如何测试材料的表面自由能，简述其基本原理。 . 6 18，什么是晶体材料的易生长晶面，它与什么因素有关？nacl为简单立方晶体，它的易生长晶面是什么？ . 7 陶老师部分 . 8 1，表面态的产生原因和种类，它对材料性能有何影响？ . 8 2，形成空间电荷区的原因和表面空间电荷区的类型。 . 8 3，什么是准费米能级？ . 8 4，有一半导体材料，其体费米能级在导带下1/3eg处，表面费米能级距导带2/3eg处，eg为禁带宽度。问： . 9 5，n型半导体的不同表面势下的表面空间电荷区情况，请结合能带图说明。 . 9 6，请分析非平衡载流子的符合

4、过程。 . 10 7，请分析实际金半接触中势垒高度与理论上的schottky势垒、bardeen表面钉扎势垒偏离的原因。 . 10 8，试分析多晶zno材料中具有双向整流效应的i-v特性曲线与界面电子结构的关系。 . 10 9，什么是表面吸附与偏析？ . 11 10，比较化学吸附与物理吸附，并画出它们的吸附能曲线；什么是快化学吸附和慢化学吸附？ . 11 11，请解释第iv型吸附等温线。 . 12 12，n型半导体表面吸附氧后它的表面电导和表面能带如何变化？ . 12 13，水在n型半导体表面吸附后对电导和能带会发生哪些影响？ . 12 14，扩散有哪些微观机制？其激活能与扩散速度有何不同？

5、. 12 15，试比较原子在表面、晶界、相界、晶内扩散的方式、速度的异同？ . 12 16，什么是kirdendall扩散，其发生会导致何种后果？ . 13 17，固相反应的发生是如何进行的？反应速度的快慢影响因素有哪些？ . 13 1 邓老师部分 1，原子间的键合方式及性能特点。 结合键 离子键 共价健 金属键 分子键 结合方式 电子转移，结合力大，无方向性和饱和性 电子共用，结合力大，有方向性和饱和性 电子出共有，结合力较大，无方向性和饱和性 电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性 晶体特征 硬度高，脆性大，熔点高、导电性差 强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差 导电性、导

6、热性、延展性好，熔点较高（如金属） 熔点低，硬度低。如高分子材料 氢键 是一种特殊的分子间作用力。这是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（o，f，n等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性 2，原子的外层电子结构，晶体的能带结构。 描述原子中一个电子的空间位置和能量： 1）主量子数n；轨道角量子数l；磁量子数m；自旋量子数s； 2）核外电子的排布规律三原则：能量最低原理；pauli不相容原理；hund规则。 说明： 1）晶体中，当n个原子聚在一起成晶体时，每个原子能级上将有2n个相同能量状态的电子（共有化电子），这是泡利不相容原理所不允许的，实际上，由于原子

7、的相互作用，每个原子能级将分裂为一个有n个支能级的能带。 2）能带表示电子允许占有的状态，能带间隙有禁带，其宽度通常用eg表示。每一根能带中可以容纳的电子是有限制的（最多为组成晶体原子数的2倍）。 3）能带全部装满电子为满带，没有电子为空带，两者都不对导电作贡献；能带没有填满为未满带，其中电子在外电场作用下能改变状态，对导电作贡献。 3，晶体（单晶体，多晶体）的基本概念，晶体与非晶体的区别。 晶体：内部质点（原子、离子或分子）在三维空间呈周期 重复排列的固体。 单晶体：质点按同一取向排列。由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体。 多晶体：由许多不同位向的小晶体（晶粒）所组成的晶体。多晶体一般显示

8、出各向同性假等向性。 固态物质按其原子（或分子）的聚集状态而分为两大类：晶体与非晶体 原子排列 熔点 性能 晶体 规则排列 有固定熔点 各向异性 非晶体 紊乱分布 没有明显的熔点 各向同性 4，空间点阵与晶胞、晶面指数、晶面间距的概念，原子的堆积方式和典型的晶体结构。 空间点阵：呈周期性的规则排列的阵点所形成的具有等同的周围环境的三维阵列。 2 晶胞：在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的结构单元，反映晶格特征的最小几何单元。 晶面指数：代表一组平行的晶面。为了便于研究和表述不同晶面原子排列的情况及其在空间的位向，需要确定一种统一的表示方法来表示晶面，称为晶面指数 晶面间距：两近邻平行晶面间的

9、垂直距离。 晶体中原子堆积方式： 1）面心立方结构是以其最密排面111每三层就重复堆积，按abcabc的次序堆积起来的。 2）密排六方结构也是一种密堆积，它的（001）面和面心立方111面具有相同的最紧密排列方式，（001）面每两层就重复堆垛，即（001）面按（ababab）的顺序堆垛， 3）体心立方结构是以其最密排面111每三层就重复堆积，按abcabc的次序堆积起来的。 4）简单立方结构是以其最密排面111每三层就重复堆积，按abcabc的次序堆积起来的。 典型的晶体结构： 面心立方结构；体心立方结构；密排六方结构；简单立方。 5，表面信息获取的主要方式及基本原理。 表面信息的获取：用荷能

10、的电子、离子、光子作“探针”，如下图，根椐入射粒子和出射粒子之间的类型转换、能量变化、粒子的分布等关系，可以获取表面的信息。 基本原理： 以荷能电子作探针，当电子与表面作用后，能从表面激发出电子、离子和光子。采用相应的仪器可测量这些激发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、原子价态等信息，这就是目前各类表面分析的基本原理。 6，为什么xps可获得表面信息，而x射线衍射只能获得体信息？ x射线与物质相互作用时，会发生一系列效应。其中，x射线从物质中激发出光电子被应用于xps中，而x射线的相干散射被应用于x射线衍射中。 xps方法以x射线光电子的能量来鉴别化学元素，而x射线

11、光电子在逸出的路上自由程很短，实际能探测的信息浓度只有表面几个至十几个原子层，因而xps可获取表面信息。 而x射线信号产生的深度和广度较大，同时有表面信号与体信号，体信号的强度远大于表面信号，所以只能获得体信息。 3 7，利用光电子能谱（xps）和俄歇（auger）电子能谱（aes）进行表面分析的基本原理和应用范围。 xps aes 高能电子束与样品作用产生俄歇电子激发，只有样品表面的俄歇电子能成功逸出，分析俄歇电子的能量，强度，峰的宽度，可获得元素种类、含量与分布、以及化学态等信息。 在x射线的作用下，电子从物质原子中被激发出来成为光电子。由于各种原子基本 轨道中电子的结合能是一定的，为各种

12、原理 元素的特征，因此可以根据光电子的能量来鉴别化学元素。测量光电子能量和强度分布，从而得到样品的组成信息。 1）定性分析：eb是反映原子种类和价态的特征量。在入射光子能量(h)已知的前提下，只要测定发射出的光电子动能(ek)，就能确定光电子结合能(eb)，从而判定表面成份及价态。 2)定量分析：根据光电子能谱的峰线强应用 度（峰的积分面积）可求得样品中各元范围 素的相对含量。 3)表面能带研究；当入射光子能量大于21电子伏时，光电子发射的能量分布可以看作是价带能态密度分布 4)表面氧化与吸附研究：表面氧化后，xps谱线将发生化学位移 1)定性分析：俄歇电子具有特定的能量，在实验中通常把俄歇电

13、子能谱的负峰的最小值定义为该元素的特征能量。在做元素定性分析时，只要把记录到的俄歇电子峰的能量与已知元素的谱峰加以对照，就可以确定元素的种类。 2)定量分析：根据俄歇电流的大小来测定表面元素的相对含量 3)化学状态分析：原子的化学环境发生变化时，俄歇电子能谱也能观察到化学位移。 4)深度剖面分析 8，透射电子显微镜有哪几种工作模式，它们可获得材料的什么信息？ 工作 模式 影像模式 衍射模式 通过透射电子显微镜的电子衍射谱，可得到材料的结构信息：晶体点阵的类型和点阵常数；晶体的相对方位和取向；与晶粒的尺寸大小、孪晶等相关的晶体缺陷的显微结构信息。 可得到样品的形貌衬度像。具体有可获 (1)振幅衬

14、度：明场像(利用透射电子取的 束)；暗场像(利用衍射电子束)（2）信息 相位衬度：同时利用透射电子束与衍射电子束 9，扫描电子显微镜的二次电子像和背反射电子像的成像原理。 二次电子成像原理： 二次电子的产额与入射电子束与样品表面法线的夹角有关，与cos成反比，入射电子强度一定的情况下，由二次电子的信息可得入射点处的形貌信息。入射电子束在样品上扫描，收集二次电子的信息，可得到样品的形貌图像。 背反射电子成像原理： 入射电子束打到样品上，存在一部分与入射电子能量相当的反射回来的电子，而且反射电子的强度与样品表面原子的序数有关，随原子序数的增大而缓慢提高，存在比例关系。入射电子束在样品上扫描，收集背

15、反射电子的信息，可得到样品的成分衬度图像。 4 10，说明电子束的基本特征，举出几种利用电子束的波动性和粒子性的分析技术。 电子束的基本特征： 1）电子源容易获得。2）检测容易。3）电子对所有元素都有较强的相互作用，其散射几率比x射线大几个数量级。4）近代电子束的聚焦技术好，分辨率较高。5）电子束不会导致高真空环境的污染。 利用电子的波动性的分析技术： 1）透射电子显微镜（tem）。2）低能电子衍射（leed）。3）高能电子衍射（heed） 利用电子的粒子性的分析技术： 1）紫外光电子能谱（ups）。2）俄歇电子谱（aes）。3）x射线光电子能谱（xps）。4）扫描电子显微镜（sem）。 11

16、，什么是电子结合能的位移？价带能态密度可采用什么方法测试，简述其原理。 电子结合能位移： 原子内壳层电子的结合能受到核内、外电荷分布的影响。任何引起这些电荷分布发生变化的因素，都可能使原子内壳层电子的结合能产生变化，在光电子能谱图上可以看到光电子谱峰的位移，这种现象称为电子结合能位移。 价带能态密度可用xps测试。固体价带中的电子状态的能量分布由能态密度来表示，某一能量x射线光电子的数量与对应能量的表面能态密度成正比，当入射光子能量大于21ev时，光电子发射谱的能量分布可以看作是价带能态密度分布。 12，表面的定义，什么是清洁表面和实际表面？ 表面：两种不同相的交界区域称为表面。通常指凝聚相与气相、液相的界面，不是几何意义上的平面，具有一定的过度区。 清洁表面：清洁表面是指反映材料本征特性的表面。它应当是在经腐蚀、解理、离子刻蚀等处理，除去吸附层、氧化层、表面损伤层后的表面。只能在高真空环境下依存的表面。 实际表面：经过一定处理后，保存在通常环境下的固体表面。 理想表面：将一无限大的晶体分成两部分所形成的表面。表面的原子排列与体内完全一致，这就是通常物理学、化学学所讨论的“表面”。 13，什么是表面的tlk模型？表面缺陷产生的原因是什么？ 表面不是原子级的平坦，上面有平台（terrace），台阶（ledge）和扭曲（kink），这种方