固体表面物理化学第一章复习总结

1、第一章固体材料与表面结构 表面物理化学性质的特殊性1、组成（成分偏析、表面吸附）2、原子排列结构（重排）、原子振动状态等3、悬挂键，化学性质活泼4、周期势场中断，表面电子状态差异 表面浓度(surface concentration)Area of unit cell =(0.3 x 10-9)2m2 1 atom per unit cell 表面原子浓度= 1/ (0.3 x 10-9)2= 1.1 x 1019atoms m-2= 1.1 x 1015atoms cm-2体相原子浓度=3.7*1022cm-3 分散度随原子数增加，D下降。 颗粒尺寸增加，D下降。立方八面体，催化剂理论模型中

2、常用的颗粒形状，是热力学平衡条件下表面能最低的形状。 表面粗糙度 表面形貌非均匀性1、 平台2、 螺型位错3、 刃型位错4、 8、10、外来吸附原子5、 单原子台阶6、 9、11、褶皱7、 扭折原因：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。 位错密度位错分割平台 表面原子排列有序性表现在具有一定原子间距，二维周期性1、具有底物结构2、表面原子重排 原矢 米勒指数（miller index） 晶面间距d（hkl） 晶体类型：体心立方，面心立方，简单立方表面原子最近

3、邻数（100）（110）（111）FCC（Face center cubic）879BCC464SC543在立方晶系中，晶向和晶面垂直 Wood记号和矩阵表示（必考） 100，110，111选取基矢时，若中心包含原子，则写成c（qr） 矩阵表示： 固体表面性质简介1、相界面（Gibbs界面）2、表面热力学函数其他类推：S，G，Gs3、固体表面能的理论估算 表面自由能表面的分子处于一种比体相更大的自由能状态，这是由于在表面缺乏最近邻的相互作用。 减小表面能的方法固体的表面能总是正的，金属氧化物有机 金属表面张力估算； 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

4、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1、表面能与晶粒尺寸晶面曲率半径越小，单位质量表面能越大，晶粒越不稳定，化学反应活性越大2、表面能与晶面密排面的表面能低（例如111面，体相原子12配位，表面原子9配位，断裂3个化学键） 不稳定（表面能高）的晶面优先生长 3、表面台阶处配位不饱和度高，最容易发生化学反应。 晶体的平衡形状（热力学平衡）：在一定温度下，对于给定的体积，总表面能最小的形状。（类球型） 表面活性剂及晶体控制生长表面活性剂分子结构的特点是具有不对称性，由亲水性的极

5、性基团和具有憎水性的非极性基团组成的有机化合物。其在溶液表面的定向排列，使表面上不饱和的力场得到某种程度上的平衡，从而降低了表面张力。（降低表面能高的表面，使得表面能低的表面暴露出来，改变了晶体生长） 液-固界面：润湿性部分固-气界面被液-固界面取代，这一过程称为润湿过程。（1）表面张力大于100mN/m 的称为高能固体表面，固体容易被液体润湿。（2）表面张力小于100mN/m 的称为低能固体表面，固体不容易被液体润湿。润湿过程可以分为三类： 粘湿（或粘附adhesion） 浸湿（或浸润immersion） 铺展（spreading）1、 粘附过程与粘附功指液体与固体从不接触到接触，使部分液气

6、界面和固气界面转变成新的固液界面的过程。在等温等压条件下，单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润湿固体，液-固结合得越牢。2、 浸湿过程与浸湿功在恒温恒压可逆的情况下，将具有单位表面积的固体浸入液体中，气固界面转变为液固界面的过程称为浸湿过程。（在此过程中液体的界面没有变化）。浸湿功等于此过程表面自由能变化值的负值。只有浸湿功大于或等于零，液体才能浸湿固体。浸湿功是液体在固体表面取代气体能力的一种量度。指对抗液体表面张力而产生铺展的力，又称为粘附张力A。3、 铺展与铺展系数铺展是指液体在固体表面上扩展过程中，“液-固”界

7、面取代“气-固”界面的同时，液体表面也扩展的过程，体系还增加了同样面积的“气-液”界面。铺展系数S的大小表征了液体在固体表面上铺展的能力。4、当液体和固体之间的粘附张力A 大于液体本身的表面张力g-l时，液体能够在固体表面自动铺展。5、比较这3 类润湿的条件可以看出，对同一个体系，WaWiS。因此，当S 0 时，Wa 和Wi 也一定大于零。这表明，如果液体能在固体表面铺展，就一定能沾湿和浸湿固体，所以，常用铺展系数S 作为体系润湿的指标。 液-固界面:接触角与润湿方程Youngs 方程只是适用于理想的刚性、均一、光滑、惰性表面，不适用于实际表面情况。完全润湿=0亲水表面90疏水表面90相同原子

8、）混合热大于零：无偏析（作用力：不同原子相同原子）溶质原子大小溶质原子与溶剂原子半径相差越大，在体相中引起的应变能越大，富集后减少的应变能越多，富集作用越明显结构台阶、扭折处表面能大、易偏析第二章薄膜沉积：原理与技术 物理气相沉积(PVD) 1、蒸发热蒸发，电子束蒸发2、溅射直流磁控溅射，交流溅射，射频溅射, 磁控溅射 化学气相沉积(CVD) 低压CVD、等离子体增强CVD 、金属有机CVD、原子层沉积生长热力学：界面能生长动力学：表面扩散与成核基底与生长层的晶格不匹配，岛状生长 蒸发与溅射比较：蒸发溅射低能量的原子高能量的原子高真空少量碰撞直线沉积少量气体低真空、等离子体大量碰撞非直线沉积大

9、量气体晶粒尺寸较大晶粒尺寸小更少的晶粒取向许多晶粒取向附着力较差粘附好差的化学计量（组分以不同的速率蒸发）保持化学计量（所有成分的溅射速率相同） 化学气相沉积（CVD技术）优势1、涂层硬度高2、附着力好（如果涂层不太厚）3、涂层均匀性缺点1、处理温度高（易畸变） 2、锐边涂层是困难的（热膨胀失配应力）3、可涂布的材料范围有限 4、处理气氛有影响定义（必考）：在化学气相沉积法中，含有所需化学元素的气体在反应器内的衬底附近发生反应，通过控制气体流动可以控制气相外延的生长速率。 过程：1、反应物向沉积区的输运。2、主气流通过边界层向基底表面传输反应物。3、反应物在硅片表面的吸附。4、表面反应，包括：

10、化学分解或反应，表面迁移的附着位点（扭结和台阶）和其它表面反应（例如发射和再沉积）。5、副产物解吸。6、副产物通过边界层的输运。7、远离沉积区的副产物的运输。 MOCVD：是使用金属有机化合物和氢化物（或其他反应气体）作为原料气体的一种热解CVD方法。 ALD：优势1、化学计量比大面积的薄膜，均匀性、三维性。2、厚度精确控制。3、低温沉积的可能。4、对于敏感的衬底上柔性沉积过程。缺点1、沉积速率慢于CVD。2、和MBE相比，许多不同的材料可以沉积。 ALD与CVD相比：ALDCVD高反应活性前驱体低反应活性前驱体前驱体在基底上分别反应前驱体在基板上同时发生反应前体不能在处理温度下分解前体可以在

11、处理温度下分解饱和吸附机制确保了均匀性均匀性要求反应物和温度的均匀通量通过反应循环次数来控制厚度通过精确的过程控制和监控来控制厚度可接受的剩余前体剂量前体剂量必须定量 外延生长1、外延膜可由气态或液态前驱体生长。2、衬底作为种子晶体，沉积膜具有与衬底相同的晶格结构和取向。3、不同于其他沉积薄膜的方法，可以沉积多晶或非晶薄膜，甚至在单晶衬底上。 分子束外延：在晶体衬底上沉积原子以形成晶体层或结构的超高真空技术。分子束外延技术广泛应用于半导体器件的制造。 范德华外延：高度晶格失配系统的一种新的外延生长方法。 MOCVD vs MBE优势1、较快的增长率2、宽温控制范围。更好的薄膜质量。3、更短的系

12、统停机时间。缺点1、有毒2、大量参数，很难控制。3、非特高压环境。 一些原位监测技术不适用。这两种技术都可以使晶体以极高的精度一次沉积在一个单层基底上，对于“超晶格”和“量子阱”等人造晶体结构非常有用。 固体基本电学性质 能级：原子核所处的各种能量状态。 分子轨道：原子轨道的线性组合HOMO最高占据分子轨道、LUMO最低未占据分子轨道形成条件：能量相近、对称性匹配 金属：电子未填充满价带 ，导电半导体：电子填充满价带，带隙窄 ，绝缘体：电子填充满价带，宽带隙 ，不导电 能带：大量原子相互靠近后，轨道能级分裂，形成的能级为准连续分布价带：价电子占据的能带导带：电子部分占据的能带带隙：导带和价带的

13、能量空隙 费米能级Ef：温度为绝对零度时固体能带中充满电子的最高能级。 能态密度DOS：在电子能级为准连续分布的情况下，单位能量间隔（E）的电子态数目N（E）。 能带弯曲 有效质量与自由电子质量的差异反映了周期势场对电子运动的影响 功函数：又称功函、逸出功。定义：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。功函数：真空能级与费米能级之差。 真空能级：电子处在离开金属表面足够远的某一点上的静止能量，此时电子收到的静电力可以忽略（大约离开表面10nm以上即可）。也可理解为电子在金属内部的势能与电子在真空中无穷远处的势能差。 金属中的电子克服束缚跳出金属，根据其获得能量的方式可以区分为：1、 高温导致的热电子发射2、 强电场导致的场致发射3、 光照导致的光致发射4、 电子撞击产生的次级电子发射