《表面科学简介》教学大纲.docx

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1、表面科学简介教学大纲-正文内容开始- 表面科学简介课程教学大纲 课程代码： ACHM1001 课程性质：专业选修课程 授课对象：应用化学 开课学期：6 总学时：36 学时学分：2 学分 讲课学时：36 学时实验学时：0 学时实践学时：0 学时 参考书目： (1). 黄惠忠等，表面化学分析，华东理工大学出版社，2022 (2). 王建祺等，电子能谱学(XPS/XAES/UPS)引论，国防工业出版社，1992 (3). 周清编著，电子能谱学，南开大学出版社，1995 (4). 黄昆著，固体物理，:高等教育出版社，1998年 (5)扫描隧道与扫描力显微镜分析原理，天津大学出版社，2022年 (6)

2、Wolfram Koch, Max C. Holthausen, A Chemists Guide to Density Functional Theory, 2nd Edition, ISBN: 978-3-527-30372-4, Wiley出版社 Oct 2022 教学目的： 化学背景专业的学生从事材料光电热磁相关科研活动时，需要大量材料表面科学知识。对很多学生来说，很多概念来自于文献，网络，而概念的材料物理基础等则一知半解。 表面科学简介从原子、分子水平阐述表面结构，讨论材料表面物理、化学现象以及对技术学科发展的影响，强调基本概念。介绍这些表面分析技术时，重点讨论粒子束与表面相互作用，

3、及其在表面结构表征中的信息内容，为识谱和分析、理解表面物理、化学问题奠定基础。同时通过该课程，使学生了解表面科学的基本概念，掌握从原子、分子水平理解表面现象的抽象能力；理解表面科学的基本实验技术和表面分析技术；了解几项常见表面分析仪器的原理和应用。其中介绍的部分固体物理知识，理论计算方法有利于学生对未来进一步从事材料光电热磁相关研究时，掌握基本的材料知识背景，具有综合考虑材料性能，进行材料设计与测试的能力。 前言 课时：1周，共2课时 教学内容： 第一节课程内容、考核形式 一、课程内容概要 本课程所包含主要课程内容、表面科学的意义、表面科学与其他学科的关系 二、考勤、考核形式 介绍考勤考核规则

4、，期末考核为开卷 三、参考书目 第二节表面 一、表面定义 定义、和体相不同 二、洁净表面 1. 洁净表面的意义、 2. 维护洁净表面所需的真空度， 3. 以氮气为例、介绍碰撞概率 二、真空 真空度的定义、维持真空所需条件 真空的仪器与技术：管道、常见真空规、 泵的分类与使用、维护 漏、检漏、烘烤 思考题： 1、如何利用分子截面积计算表面覆盖度？ 2、几种真空泵的原理与使用范围，优缺点？ 第二章表面形貌与结构 课时：2周，共2课时 教学内容： 第一节表面能与表面张力 一、表面能与热力学 表面能超函数，表面能对结构的影响 悬空键，悬空键的化学反应、悬空键与表面反应 第二节 表面重构 重构的命名；

5、理解命名规则，重构旋转矩阵 难点带心结构 常见重构类型, 锗/硅（100）， 硅（111）， 金（111） 常见二维材料表面 石墨烯类， 硫化钼类， Mxene等金属类 第三节 表面缺陷 表面弛豫 二、表面缺陷 缺陷的类型、 缺陷与催化活性中心，以Ni/MoS2脱硫催化剂为例 思考题： 1、看图识别重构命名 2、二维材料边缺陷， 第三章表面的理论模拟 课时：2周，共4课时 教学内容： 第一节晶体对称性 一、晶体周期性与对称性 平移对称性、二维空间的对称性与点群 倒易空间、格波矢 （重点、难点） 三维倒易空间矢量的推导与举例 第二节固体能带理论 平移对称性对薛定谔方程波函数解的要求（重点、难点）

6、 化学LCAO原子波函数构建周期性波函数推导，理解k量子数 一维氢原子链的波函数推导，理解k量子数 二、布里渊区 二维材料的布里渊区 三、能带理论 自由电子气能带模型 一维氢原子链的能带模型 常见三维金属（金）、半导体（硅）、绝缘体（NaCl）能带模型 有机半导体材料、光催化半导体材料、能带模型 二维材料能带模型 带隙、直接带隙、间接带隙 态密度 第三节晶体的理论模拟 一、密度泛函（DFT）理论 多电子薛定谔方程的Hartree-fock方法简介与缺陷 密度泛函原理 Khon-Sham方程 变分法 二、基函数的要求 平面波、球面波、赝势 三常见计算任务（以Material studio dmo

7、l3为例） 单点能 振动频率与红外模拟 静电势、电场分布 前线轨道 结构优化 过渡态搜索 激发态与含时DFT简介 常见密度泛函理论（DFT）计算软件 Gaussian、 Vasp、 Material studio 简介 第四节表面的理论模拟 一、表面建模 超晶胞 晶格弛豫 底层冻结 二、拓扑绝缘体 （简介） 思考题： 1、以一维原子链为模型，理解k空间 2、下载使用一款常见计算软件，完成晶体建模和简单表面吸附模型的计算 吸附模型举例： CO在常见金属Pt（111），Pt（100），Pd(111）等晶面的吸附 NO在半导体表面Si(111), Ge(100),吸附 石墨烯，硫化钼等二维半导体的金

8、属掺杂 氧化物表面Mg（100）等有机分子的吸附 完成配位聚合物，有机聚合物等链模型与NO2的吸附作用等 第四章X射线光电子谱 课时：3周，共6课时 教学内容： 第一节X射线光电子能谱原理 一、光与微观粒子作用模型 光谱能量，对应粒子 二、原子核模型 薛定谔方程、量子数规定 XPS谱的原理 束缚能与动能，功函 四、俄歇谱的原理 第二节XPS仪器原理 一、X射线的产生 定义、和体相不同、 二、样品的要求 接地、费米能级、功函、校正 三、光电子分析器 减速器、聚焦器、半球分析仪、光电倍增管 第三节XPS谱解析 一、定性分析 氧化数、 化学位移、标准数据库 二、定量分析 分峰、峰的类型、丰度 三、表

9、面分析 检测深度、角度分析 四、原位分析 近常压、原位反应、空间分辨分析 思考题： 解典型XPS光谱 下载一篇文献，找到XPS图谱进行分析解说 第五章紫外线光电子谱（UPS） 课时：1周，共2课时 教学内容： 第一节紫射线光电子能谱原理 一、能带与能级 光谱能量，对应粒子 二、费米能级、谱带宽 第二节UPS仪器原理 一、紫外射线枪 二、样品的要求 接地、费米能级、功函、校正 三、光电子分析器 减速器、聚焦器、半球分析仪、光电倍增管 第三节UPS谱解析 一、定性分析 功函，Fermi能级 思考题： 1、典型半导体材料的UPS分析 第六章掠入射角X射线衍射 课时：1周，共2课时 教学内容： 第一节

10、衍射 布拉格方程 低角度衍射对应的晶格常数 相干(Cohenrence) 二维投影平面 投影平面的公式 第二节仪器原理 点光源与线光源 第三节典型谱的解析 标峰，积分区，与粉末XRD的对应关系 第四节掠入射角谱的拓展 软X射线 原位测量 在胶体中的应用 思考题： 1、典型GISAXS谱的分析 （图略） 第七章X射线近边吸收结构 课时：1周，共2课时 教学内容： 第一节同步辐射光源 布拉格方程 二维投影平面 第二节近边吸收原理 阈值之上60 eV以内的低能区的谱出现强的吸收特性,称之为近边吸收结构(XANES)。激发光电子经受周围原子的多重散射造成的。 它不仅反映吸收原子周围环境中原子几何配置，

11、而且反映凝聚态物质费米能级附近低能位的电子态的结构。 频谱的傅里叶变换分析 第三节近边吸收在现代催化中的应用 单原子催化与X射线近边吸收结构 思考题： 1、 典型近边吸收的数据分析（图略） 第八章扫描隧道显微镜 课时：2周，共4课时 教学内容： 第一节仪器原理 一、隧道电流 公式 恒流、恒高、隧穿谱模式 减震与位移系统 阻尼系统、主动减震、微步马达，压电陶瓷 三、针尖与样品 第二节STM谱解析 一、STM谱的理论模型 四种近似模型、重点介绍Tersoff-Hamman近似 二、恒高、恒流模式解析 针尖卷积效应 三、STS谱的解析 带宽，单分子器件 常见单晶表面的STM图像 Si（111），Cu

12、（100），Ge（100），石墨烯 科研前沿拓展专题：亚原子成像、键成像、轨道分辨成像 七、科研前沿拓展专题：针尖操作 思考题： 1、Si（111）的STM图像分析（图略） 第九章原子力显微镜 课时：1周，共2课时 教学内容： 第一节仪器原理 激光测距、 针尖振动 常见工作模式 第二节导电AFM与表面电势KFM模式 原理与表面电势标定 第三节Qplus AFM 原理与超高分辨 研究前沿 第四节针尖增强拉曼AFM 原理与超高分辨 研究前沿 第五节电化学AFM与刻蚀 原理 三电极系统，电化学针尖，漏电流，循环伏安扫描 研究前沿 思考题： 1、更多AFM工作模式（图略） 第十章表面吸附与生长 课时：

13、2周，共4课时 教学内容： 第一节吸附与吸收 一、物理吸附与化学吸附 键能大小、温度、解离、可逆性等比较 常见吸附举例 单层吸附与多层吸附 二、吸附模型等温式 朗缪尔模型、BET模型等表现形式 吸附与孔道的关系 比表面的测定 第二节吸附研究方法 一、TPD程序升温 介绍仪器原理与使用 XPS表面物种与价态 表面价态分析 表面增强拉曼振动模式 拉曼成像与表面拉曼增强简介 第三节吸附的理论模拟 一、吸附位点分子取向 二、吸附能 三、吸附过渡态的研究 第四节生长 外延生长 晶格匹配、装备、实例 二、润湿 三、表面纳米结构 思考题： 1、由BET数据提取比表面数据（图略） 2、不对称悬臂梁数据提取吸附

14、焓（数据略，现场提供） 第十一章表界面与器件结构 课时：1周，共2课时 教学内容： 第一节半导体与能带弯曲 半导体能带、 界面电荷 能带弯曲 金属半导体接触，p-n接触模型 第二节界面即器件-界面电流模型 肖特基节 肖特基节的历史与应用，J-V模型 热发射 热发射J-T特性 隧穿发射 J-V特性， 第三节铁电与界面 研究前沿 第四节单分子器件结构 单分子结 测试方法 思考题： 1、绘制光催化剂能带弯曲图 2、气敏传感的双势垒模型 考核方式： 考勤（10%） 作业 （4次，40%） 期末开卷（50%） 第17页 共17页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页