材料分析与表征课件.pdf

电子束表面结构分析 李正操 zcli@tsinghua.edu.cn 2006年11月17日 表面科学 材料的表面特性，包括结构、几何形状，吸附特性等等 的研究，具有重要的理论意义和广泛的应用前景，是目 前材料研究的热点之一。 现代表面科学研究表明，表面的性质往往和体相有着巨 大的差异，常呈现出许多特殊的物理化学性质，究其根 本原因在于表面原子原先在体相中的对称性和所处晶体 场环境的突然被破坏。 一个典型的例子是赖以支撑现代半导体工业的硅单晶， 其体相是绝缘的，而它的自然解理面（111）上的硅原 子层则变成半导体或金属性质的。 2 电子束表面结构分析 材料的表面结构和特性研究，需要特定的分析表 征技术，如：AES，XPS，UPS，LEED，RHEED，等 等。这些分析测试技术大多需要UHV系统。 主要介绍常用的电子束表面结构分析技术： 低能电子衍射（Low Energy Electron Diffraction, LEED） 反射式高能电子衍射（Reflective High-Energy Electron Diffraction, RHEED） 3 表面结构 1877年Gibbs首先提出“表面相” 的概念，指出在气-固 界面处存在一种二维的凝聚物质相，它的性质与固体 体内有很大的差异。 由于固体只有通过其表面才能与周围的环境发生相互 作用，这种表层的存在将对固体的物理化学特性有很 大影响。 很多重要的应用课题，如金属的腐蚀与回火变脆、多 相催化、材料的外延生长和表面电子器件等都和固体 表面的状态有密切的关系。 4 表面结构 通常所说的表面是指大块晶体的三维周期结构与真空 之间的过渡区，它包括所有不具有体内三维周期性的 原子层，一般是一个到几个原子层，厚度约为0.5- 2nm；表面结构指的就是表面上这一层原子的排列。 5 表面结构⎯⎯理想表面 如果讨论的固体是没有杂质的单晶，则作为零级近似 可将清洁表面想象成为一个“理想表面” ，它是在无限 晶体中插进一个平面后将其分成两部分形成的。 在这过程中除了对晶体附加了一组边界条件外没有其 他任何变化。在半无限晶体内部，原子和电子的状态 都和原来无限晶体中的情况一样。 6 表面结构⎯⎯驰豫 由于在垂直表面方向上三维平移对称性被破坏，电子波函数在表 面附近将发生变化，结果造成电子电荷密度的驰豫。它在表面层 中形成一个新的自洽势，其主要特征是出现一个新的表面偶电层。 金属的这个偶电层有助于形成表面势垒，从而阻止体内电子进入 真空。 表面上的原子也有驰豫，它们偏离原来三维晶格时的平衡位置。 最简单的情况就是清洁金属表面顶层的原子向上或向下位移，导 致表面弛豫。 Surface Relaxation 7 表面驰豫是能量最低化的要求 Unrelaxed Surface 驰豫不改变平行于表 面的周期性