材料表面与界面-优秀PPT.ppt

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1、2.1 志向表面结构志向表面结构n n志向表面是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。假志向表面是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。假如忽视晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；忽如忽视晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；忽视表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象；忽视表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象；忽视表面外界环境的物理和化学作用等等内外因素；则可视表面外界环境的物理和化学作用等等内外因素；则可以把晶体的解理面认为是志向表面。以把晶体的解理面认为是志向表面。n n图图2-1 2-1 志向表面结构示意图志向表面结构示意图d图图图图2-1 2-1 志向表面结构示意图志向表面

2、结构示意图志向表面结构示意图志向表面结构示意图 2.2 清洁表面结构清洁表面结构n n清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理化学效应的表面。催化反应或杂质扩散等一系列物理化学效应的表面。催化反应或杂质扩散等一系列物理化学效应的表面。催化反应或杂质扩散等一系列物理化学效应的表面。n n这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不这种清洁表面的化

3、学组成与体内相同，但周期结构可以不这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。同于体内。同于体内。同于体内。n n由于表面上电子波函数的畸变，使原子处于高能态，简洁由于表面上电子波函数的畸变，使原子处于高能态，简洁由于表面上电子波函数的畸变，使原子处于高能态，简洁由于表面上电子波函数的畸变，使原子处于高能态，简洁发生弛豫和重排，所以其结构偏离志向的二维点阵结构，发生弛豫和重排，所以其结构偏离志向的二维点阵结构，发生弛豫和重排，所以其结构偏离志向的二维点阵结构，发生弛豫和重排，所以其结构偏离志向的二维点阵结构，形成新的、较为困难的二维结构。形成新的、较为困难的二维结构。形成新的、

4、较为困难的二维结构。形成新的、较为困难的二维结构。n n清清清清洁洁洁洁表表表表面面面面结结结结构构构构的的的的特特特特征征征征就就就就是是是是表表表表面面面面原原原原子子子子弛弛弛弛豫豫豫豫和和和和重重重重排排排排，而而而而弛弛弛弛豫豫豫豫的的的的机机机机理理理理比比比比较较较较困困困困难难难难，最最最最简简简简洁洁洁洁的的的的规规规规律律律律是是是是解解解解理理理理面面面面上上上上断断断断键键键键的的的的饱饱饱饱和和和和趋趋趋趋势势势势。其其其其它它它它如如如如双双双双电电电电层层层层结结结结构构构构、松松松松散散散散结结结结构构构构等等等等还还还还同同同同极极极极化化化化、静静静静电电电

5、电力力力力、原原原原子子子子结结结结合合合合力等因素有关。力等因素有关。力等因素有关。力等因素有关。n n清清清清洁洁洁洁表表表表面面面面结结结结构构构构，以以以以偏偏偏偏离离离离志志志志向向向向解解解解理理理理面面面面的的的的程程程程度度度度来来来来标标标标记记记记。探探探探讨讨讨讨方方方方法法法法是是是是试试试试验验验验与与与与模模模模型型型型相相相相结结结结合合合合的的的的“自自自自洽洽洽洽法法法法”。依依依依据据据据表表表表面面面面原原原原子子子子的的的的静静静静电电电电状状状状态态态态、电电电电子子子子波波波波函函函函数数数数等等等等理理理理论论论论上上上上的的的的分分分分析析析析，

6、提提提提出出出出初初初初步步步步模模模模型型型型，再再再再经经经经过过过过微微微微观观观观分分分分析析析析，证证证证明明明明模模模模型型型型并并并并进进进进一一一一步步步步作作作作数数数数据据据据处处处处理理理理，从从从从而而而而修修修修正正正正模模模模型型型型得得得得到到到到比比比比较较较较接接接接近近近近实实实实际际际际的的的的模模模模型型型型再再再再比比比比照照照照试试试试验验验验经经经经过过过过多多多多次次次次反反反反复复复复，力力力力求求求求得得得得到到到到比比比比较较较较满满满满足足足足的的的的结结结结果果果果，使使使使其其其其在在在在定定定定量量量量探探探探讨讨讨讨方方方方面面面

7、面的的的的一一一一些些些些“近近近近似似似似解解解解”逐逐逐逐步步步步趋于完善。趋于完善。趋于完善。趋于完善。2.2.1 2.2.1 表面结构的表述方法表面结构的表述方法表面结构的表述方法表面结构的表述方法n n当晶体解理时，由于各种因素的影响，很难得到完整的平当晶体解理时，由于各种因素的影响，很难得到完整的平面结构，假如畸形程度小，可以近似地认为是平面。还常面结构，假如畸形程度小，可以近似地认为是平面。还常常出现一种比较有规律的非完全平面结构，称之为台阶结常出现一种比较有规律的非完全平面结构，称之为台阶结构。构。n n对于平面结构和台阶结构，分别用不同的方法表述。对于平面结构和台阶结构，分别

8、用不同的方法表述。n n依据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫依据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。表面、重构表面等。图图图图2-2 Pt2-2 Pt（557557）有序原子台阶表面示意图）有序原子台阶表面示意图）有序原子台阶表面示意图）有序原子台阶表面示意图（一）台阶表面（一）台阶表面（一）台阶表面（一）台阶表面 (图图图图2-2)2-2)台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成。

9、的表面所组成。的表面所组成。的表面所组成。112111110(001)周期周期n n由于晶体内部缺陷的存在等因素，使晶体内部应力场分布由于晶体内部缺陷的存在等因素，使晶体内部应力场分布不匀整，加上在解理晶体对外力状况环境的影响，晶体的不匀整，加上在解理晶体对外力状况环境的影响，晶体的解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理，而是伴随着解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理，而是伴随着相邻的倾斜晶面的开裂，形成层状的解理表面。它们由一相邻的倾斜晶面的开裂，形成层状的解理表面。它们由一些较大的平坦区域和一些高度不同的台阶构成，称为台面些较大的平坦区域和一些高度不同的台阶构成，称为台面台阶拐结（台阶拐

10、结（TerraceTerraceLedgeLedgeKinkKink）结构，简称台阶结）结构，简称台阶结构或构或TLKTLK结构。结构。n n这类结构比较普遍地发生在一些金属及其氧化物，这类结构比较普遍地发生在一些金属及其氧化物，-族族半导体材料及其化合物晶体的某些晶面上，如半导体材料及其化合物晶体的某些晶面上，如CuCu、AuAu、WW、PtPt、PdPd、Si Si、GeGe、AsAs、GaAsGaAs、ZnOZnO等，其它如某些卤化碱等，其它如某些卤化碱材料的某些晶面上也能视察到。材料的某些晶面上也能视察到。LEEDLEED衍射试验已证明台阶衍射试验已证明台阶结构类型的存在，并可以推算出

11、台阶高度和密度。结构类型的存在，并可以推算出台阶高度和密度。n n台阶结构中，有时出现拐结，有时不出现拐结。台阶结构中，有时出现拐结，有时不出现拐结。n n通用的台阶结构表述符号为：通用的台阶结构表述符号为：n nE(s)-m(hkl)n(hE(s)-m(hkl)n(h k k l l)（2.2-12.2-1）n n其中：其中：E E代表化学元素符号；代表化学元素符号；s s为台阶结构的标记；为台阶结构的标记；mm为台为台面宽度，以台面上的原子列数表示，标记了台面的周期；面宽度，以台面上的原子列数表示，标记了台面的周期；（hklhkl）为构成台面的晶面指数；）为构成台面的晶面指数；n n为台阶

12、高度，以台阶所为台阶高度，以台阶所跨的子层数表示；（跨的子层数表示；（h h k k l l）为构成台阶的晶面指数。）为构成台阶的晶面指数。n n图图2.2-12.2-1中列举了两种台阶结构。中列举了两种台阶结构。（a a）为）为）为）为Pt(s)Pt(s)4(111)(100)4(111)(100)；（b b）为）为）为）为Pt(s)Pt(s)7(111)(310)7(111)(310)；其台阶出现拐结。；其台阶出现拐结。；其台阶出现拐结。；其台阶出现拐结。（二）平坦表面（包括弛豫表面和重构表面）（二）平坦表面（包括弛豫表面和重构表面）（二）平坦表面（包括弛豫表面和重构表面）（二）平坦表面（

13、包括弛豫表面和重构表面）n n平坦表面表述方法，一般接受平坦表面表述方法，一般接受WoodWood（19631963）方法。这种方）方法。这种方法主要是以志向的二维点阵为基，描述发生点阵畸变的清法主要是以志向的二维点阵为基，描述发生点阵畸变的清洁表面点阵结构。畸变后的表面通常称为再构表面，再构洁表面点阵结构。畸变后的表面通常称为再构表面，再构是由原子的重排和弛豫所致。是由原子的重排和弛豫所致。n n以志向解理面作为衬底，已知其平移群为：以志向解理面作为衬底，已知其平移群为：n nT=ma+nbT=ma+nbn n其中其中a a，b b为衬底点阵基矢。为衬底点阵基矢。n n再构表面形成的二维点阵

14、达到稳定时也同样具有平移群。再构表面形成的二维点阵达到稳定时也同样具有平移群。n nTs=mTs=m as+nas+n bsbsn n其中其中asas，bsbs为再构表面点阵基矢。为再构表面点阵基矢。n n表面再构后，其点阵结构同志向二维点阵的偏离主要通过表面再构后，其点阵结构同志向二维点阵的偏离主要通过再构点阵基矢再构点阵基矢asas，bsbs相对于衬底点阵基矢相对于衬底点阵基矢a a，b b的变更来表的变更来表述，最简洁的状况是基矢方向不变更，仅变更大小。此时述，最简洁的状况是基矢方向不变更，仅变更大小。此时再构点与衬底点阵无相对旋转，其基矢两两平行，其长度再构点与衬底点阵无相对旋转，其基

15、矢两两平行，其长度关系满足：关系满足：n n此处，此处，p p，q q为整数，表示基矢倍数，即为整数，表示基矢倍数，即n n在这种状况下，再构表面的表述方式为在这种状况下，再构表面的表述方式为其中E为衬底元素符号，hkl为再构表面的晶面指数。例如Si11122表示Si的111晶面族表面再构基矢as，bs相对于衬底a，b无偏转，只有长度变更。n n较为困难的状况是，再构表面点阵相对于衬底点阵有偏转，较为困难的状况是，再构表面点阵相对于衬底点阵有偏转，其偏转角为其偏转角为此时，再构表面点阵基矢与衬底点阵基矢之间已不是简洁的倍数关系，而有对于这种再构表面，可表述为一般状况下，清洁表面均吸附有确定数量

16、的外来原子，当吸附原子已不行忽视，但数量不多，不致于影响表面结构时，在表述中常常标出吸附原子的元素符号，在通式中以D代表，假如吸附原子数量足以构成一个吸附层时，影响了再构表面结构，则在通式中还要有所变更，以后将会探讨。n n当再构表面成为有心长方结构时，有时可在再构符号当再构表面成为有心长方结构时，有时可在再构符号pqpq前冠以前冠以“C”“C”字母表示有心结构，如字母表示有心结构，如C C（2121）表示）表示有心有心2121再构等。通过再构等。通过LEEDLEED衍射试验及理论分析，得到的衍射试验及理论分析，得到的清洁表面再构状况，列于表清洁表面再构状况，列于表2.2-12.2-1中。中。

17、材料材料体结构体结构原子序数原子序数（100100）（110110）（111111）AlAlFccFcc1313 (11(11）-5%-5%+2.5%+2.5%Si SiDiaDia1414（2121）（）（2222）（4444）C C（4242）(21)(51)(54)(21)(51)(54)(71)(91)(71)(91)(21(21）（）（1111）（7777）FeFeBccBcc2626-1.5%-1.5%NiNiFccFcc2828（1111）+2.5%+2.5%-5%-5%-1%-1%ZnZnHcpHcp303010001000（1111）-1%-1%GeGeDiaDia3232（

18、2222）（）（4242）（）（4444）(21)C(810)(21)C(810)（2121）（）（2828）MoMoBccBcc4242（1111）-11.6%-11.6%AgAgFccFcc4747-7%-7%WWBccBcc7474-6%-6%PtPtFccFcc7878（1111）（）（5151）（）（520520）1.3%1.3%AuAuFccFcc7979（1111）（）（520520）GaAsGaAs闪锌矿闪锌矿（3131）（）（4343）（）（61)61)C(28)C(61)C(44)C(28)C(61)C(44)C(82)C(82)GaGa（111111）（）（2222）As

19、(111)(22)(33)As(111)(22)(33)表表2.2-1 清洁表面再构清洁表面再构表表中中百百分分数数表表示示表表面面层层原原子子与与衬衬底底原原子子的的原原子子间间距距与与正正常常点点阵阵常常数数的的偏偏离离程程度度。其其中中1111代代表表无无再再构构状状况况，表表中中再再构构均均未列出点阵的相对旋转角未列出点阵的相对旋转角。表表中中数数据据只只表表示示几几种种一一般般视视察察到到的的结结果果，并并无无概概括括性性。其其中中Si111Si111解解理理面面的的三三种种再再构构类类型型是是比比较较有有代代表表性性的的。在在298K298K的的超超高高真真空空（10-1010-1

20、0乇乇）中中解解理理表表面面得得到到（2121）亚亚稳稳结结构构，而而650K650K，10-1010-10乇乇退退火火得得到到稳稳定定的的（7777）结结构构，近近1000K1000K高高温温10-1010-10乇乇淬淬火火得得到到高高温温相相（1111）结结构构。锗锗（111111）只只有有（2121）亚亚稳稳结结构构及及（2828）退退火火稳稳定定结结构构。一一般般金金属属晶晶体体的表面再构很少出现。的表面再构很少出现。弛豫表面弛豫表面弛豫表面弛豫表面n n弛豫弛豫弛豫弛豫：是指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直：是指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直：是指表面层之间以及表面

21、和体内原子层之间的垂直：是指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直距离距离距离距离d ds s和体内原子层间距和体内原子层间距和体内原子层间距和体内原子层间距d d0 0相比有膨胀或压缩的现象。相比有膨胀或压缩的现象。相比有膨胀或压缩的现象。相比有膨胀或压缩的现象。d0ds图图图图a a 弛豫表面示意图弛豫表面示意图弛豫表面示意图弛豫表面示意图重构表面重构表面n n重构重构重构重构是指表面原子层在是指表面原子层在是指表面原子层在是指表面原子层在水平方向水平方向水平方向水平方向上的周期性不同于体内，上的周期性不同于体内，上的周期性不同于体内，上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内相同

22、。但垂直方向的层间距则与体内相同。但垂直方向的层间距则与体内相同。但垂直方向的层间距则与体内相同。d0d0asa图图图图b b 重构表面示意图重构表面示意图重构表面示意图重构表面示意图n n图图b b所所示示是是六六角角密密堆堆晶晶体体的的重重构构表表面面示示意意图图。假假设设其其表表面面只只包包括括一一个个单单原原子子层层，在在此此层层中中表表征征原原子子排排列列的的元元格格基基矢矢为为a as s，b bs s，其其中中至至少少有有一一个个是是不不同同于于体体内内的的元元格格基基矢矢a a，b b，例例如如图图中中是是假假设设了了a as saa。同同一一种种材材料料的的不不同同晶晶面面以

23、以及及相相同同晶晶面面经经不不同同加加热热处处理理后后可可能能出出现现不不同同的的重重构构结结构构。例例如如Si(111)Si(111)面面劈劈裂裂后后表表面面原原子子的的a a面面间间距距扩扩大大2 2倍倍，出出现现(21)(21)结结构构，它它是是亚亚稳稳态态的的，在在370370400400中中加加热热后后，a a和和b b都都比比体内扩大了体内扩大了7 7倍，出现倍，出现(77)(77)结构。结构。2.2.2 2.2.2 表面原子弛豫表面原子弛豫表面原子弛豫表面原子弛豫n n表面原子由于在某一方向失去相邻原子，可导致偏离平衡表面原子由于在某一方向失去相邻原子，可导致偏离平衡位置的弛豫。

24、弛豫可以发生在表面以下几个原子层的范围位置的弛豫。弛豫可以发生在表面以下几个原子层的范围内。表面第一层原子的弛豫主要表现为纵向弛豫。内。表面第一层原子的弛豫主要表现为纵向弛豫。n n一般说来，某一原子在某一方向的弛豫，必定引起其它原一般说来，某一原子在某一方向的弛豫，必定引起其它原子以及邻层原子的弛豫。在很多半导体材料以及金属材料、子以及邻层原子的弛豫。在很多半导体材料以及金属材料、离子晶体等材料中均可视察到表面原子弛豫的存在。离子晶体等材料中均可视察到表面原子弛豫的存在。n n表面原子的弛豫，不仅造成了晶体宏观上的膨胀与压缩，表面原子的弛豫，不仅造成了晶体宏观上的膨胀与压缩，而且导致了表面二

25、维点阵的变更，成为再构表面。而且导致了表面二维点阵的变更，成为再构表面。n n原子的弛豫，大致可以分为以下几种类型，即：压缩效应、原子的弛豫，大致可以分为以下几种类型，即：压缩效应、驰张效应、起伏效应及双电层效应。驰张效应、起伏效应及双电层效应。（一）压缩效应（一）压缩效应（一）压缩效应（一）压缩效应n n表面原子失去空间方向的相邻原子后，体内原子对表面原表面原子失去空间方向的相邻原子后，体内原子对表面原子的作用，产生了一个指向体内的合力，导致表面原子子的作用，产生了一个指向体内的合力，导致表面原子向向体内的纵向弛豫体内的纵向弛豫；如图；如图2.2-22.2-2所示。所示。图图图图2.2-2

26、2.2-2 压缩效应压缩效应压缩效应压缩效应 n n在金属晶体表面比较常见，其弛豫一般不超过晶格常数的在金属晶体表面比较常见，其弛豫一般不超过晶格常数的5 51515。如。如Al(110)Al(110)、Fe(100)Fe(100)表面等，尤其是在表面等，尤其是在Mo(100)Mo(100)表表面可视察到比较大的纵向弛豫。这种明显的压缩效应目前面可视察到比较大的纵向弛豫。这种明显的压缩效应目前尚没有满足的说明。尚没有满足的说明。压缩效应有时并不是匀整地发生的，例如在TLK台面上一般发生非匀整弛豫。图2.2-3 中示出了Ge台面的非匀整弛豫。图中1号原子无纵向弛豫，2号原子向体内弛豫0.22，3

27、号原子向体内弛豫0.22，4号原子向体内弛豫0.46，次外层的5号原子向内弛豫0.15。（二）驰张效应（二）驰张效应（二）驰张效应（二）驰张效应n n在少数晶体的某些表面发生原子向体外移动的纵向弛豫，在少数晶体的某些表面发生原子向体外移动的纵向弛豫，造成了晶体的膨胀，例如造成了晶体的膨胀，例如Al(111)Al(111)面的层间距可以增加正常面的层间距可以增加正常间距的间距的2525左右。左右。n n这种状况多由于内层原子对表层原子的外推作用，有时也这种状况多由于内层原子对表层原子的外推作用，有时也由于表面的松散结构所致。即表面层内各原子间的距离普由于表面的松散结构所致。即表面层内各原子间的距

28、离普遍增大，并且可波及表面内几个原子层，造成晶体总体在遍增大，并且可波及表面内几个原子层，造成晶体总体在某一方向的膨胀。如图某一方向的膨胀。如图2.2-42.2-4。一般的弛张效应多出现在金属晶体及其化合物表面。图图2.2-4 松散表面结构松散表面结构（三）起伏效应（三）起伏效应（三）起伏效应（三）起伏效应n n对于半导体材料如对于半导体材料如GeGe、Si Si等具有金刚石结构的晶体，可以等具有金刚石结构的晶体，可以在（在（111111）表面上视察到，有的原子向体外方向弛豫，有）表面上视察到，有的原子向体外方向弛豫，有的原子向体内弛豫；而且这两种方向相反的纵向弛豫是有的原子向体内弛豫；而且这

29、两种方向相反的纵向弛豫是有规律地间隔出现的。即有起有伏，称之为起伏效应。图规律地间隔出现的。即有起有伏，称之为起伏效应。图2.2-52.2-5为为Ge(111)Ge(111)表面原子弛豫的起伏现象。表面原子弛豫的起伏现象。n n在多原子晶体的表面，也存在表面原子的起伏弛豫效应。在多原子晶体的表面，也存在表面原子的起伏弛豫效应。如闪锌矿结构的如闪锌矿结构的GaAsGaAs晶体，原胞体内的四个原子与顶角的晶体，原胞体内的四个原子与顶角的四个原子是异性原子，其四个原子是异性原子，其(110)(110)面概括了两种数目相同的面概括了两种数目相同的不同原子，可以视察到，不同原子，可以视察到，AsAs原子

30、向外弛豫，原子向外弛豫，GaGa原子向内弛原子向内弛豫，形成层间距豫，形成层间距=0.65=0.65的两个表面子层。的两个表面子层。n nGaAs(110)GaAs(110)表面发生的弛豫，沿表面发生的弛豫，沿(110)(110)法线方向进行，但是法线方向进行，但是由于原子的弛豫，使由于原子的弛豫，使Ga-AsGa-As结合键相对于原来方位偏转一结合键相对于原来方位偏转一个角度，偏转角个角度，偏转角 =27=27，因此严峻地影响了表面结构。，因此严峻地影响了表面结构。（四）双电层效应（四）双电层效应（四）双电层效应（四）双电层效应n n对于多原子晶体，弛豫状况将更加困难。在离子晶体中，对于多原

31、子晶体，弛豫状况将更加困难。在离子晶体中，表层离子失去外层离子后，破坏了静电平衡，由于极化作表层离子失去外层离子后，破坏了静电平衡，由于极化作用，造成了双电层效应。在用，造成了双电层效应。在LiFLiF及及NaClNaCl晶体表面均明显地晶体表面均明显地出现双电层结构。出现双电层结构。n n现以现以NaClNaCl晶体为例说明双电层效应。如图晶体为例说明双电层效应。如图2.2-62.2-6。NaCl晶晶体体 离子晶体表面的电子云变形和离子重排离子晶体表面的电子云变形和离子重排图图2.2-6 NaCl2.2-6 NaCl表面层中表面层中NaNa+向里；向里；ClCl-向外移动并形成双电层向外移动

32、并形成双电层 晶晶体体内内部部晶晶体体表表面面0.020nm0.281nm0.266nmNaNa+ClCl-n n从图中可以看到，当表面离子失去外层相邻离子后，破坏从图中可以看到，当表面离子失去外层相邻离子后，破坏了静电平衡，离子半径较大的负离子，由于体内相邻正离了静电平衡，离子半径较大的负离子，由于体内相邻正离子的极化作用，造成负离子电子云偏向体内的畸变，形成子的极化作用，造成负离子电子云偏向体内的畸变，形成偶极子，使负电中心移向体内。偶极子，使负电中心移向体内。n n为了达到表面层的静电平衡，降低表面能，负离子必需向为了达到表面层的静电平衡，降低表面能，负离子必需向表面上方移动，而同时表面

33、层正离子由于其次层负离子的表面上方移动，而同时表面层正离子由于其次层负离子的吸引向体内移动以达到结构上的稳定。正负离子反向移动吸引向体内移动以达到结构上的稳定。正负离子反向移动的结果，形成了双电层表面。的结果，形成了双电层表面。n n在在NaClNaCl晶体表面第一层的上子层由负离子晶体表面第一层的上子层由负离子Cl-Cl-构成，具有负构成，具有负电性；下子层由正离子电性；下子层由正离子Na+Na+构成。所以表面层变成了分别构成。所以表面层变成了分别带有正、负电的电偶极层，使晶体的表面具有负电性。带有正、负电的电偶极层，使晶体的表面具有负电性。n nNaClNaCl晶体的双电层效应，使晶体在晶

34、体的双电层效应，使晶体在(100)(100)晶面方向发生宏观的晶面方向发生宏观的膨胀，但不是全部的双电层效应都会造成晶体膨胀，有时会膨胀，但不是全部的双电层效应都会造成晶体膨胀，有时会造成晶体的压缩。例如离子晶体造成晶体的压缩。例如离子晶体LiFLiF在温度为在温度为573K573K时，虽然时，虽然也同样形成了双电层结构，负离子也同样形成了双电层结构，负离子F-F-发生了向外的弛豫，但发生了向外的弛豫，但总的效果是总的效果是F-F-向内弛豫向内弛豫0.100.10，Li+Li+向内弛豫向内弛豫0.350.35。两子层之。两子层之间距离为间距离为0.250.25。0.1A0.35A图2.2-6b

35、 LiF(001)弛豫表面示意图，Li F 2.2.3 2.2.3 表面再构模型表面再构模型表面再构模型表面再构模型n n表面原子的弛豫，使原子脱离了正常的点阵位置，影响了表面原子的弛豫，使原子脱离了正常的点阵位置，影响了表面结构的变更，其二维点阵与体内原子层的正常二维点表面结构的变更，其二维点阵与体内原子层的正常二维点阵不同，这种重新排列的二维点阵，称之为再构表面的点阵不同，这种重新排列的二维点阵，称之为再构表面的点阵结构。阵结构。n n由于原子弛豫可以发生在表面以下几个原子层范围，所以由于原子弛豫可以发生在表面以下几个原子层范围，所以表面再构也可以涉及到几个原子层。但是最明显的再构只表面再

36、构也可以涉及到几个原子层。但是最明显的再构只表现在表面最外层原子平面上。以下各层原子平面可近似表现在表面最外层原子平面上。以下各层原子平面可近似认为属于志向的点阵结构。认为属于志向的点阵结构。n n表面原子的弛豫取决于表面断键的状况，首先须要了解各表面原子的弛豫取决于表面断键的状况，首先须要了解各表面原子的弛豫取决于表面断键的状况，首先须要了解各表面原子的弛豫取决于表面断键的状况，首先须要了解各种典型结构的解理表面上断键形成的状况；然后探讨断键种典型结构的解理表面上断键形成的状况；然后探讨断键种典型结构的解理表面上断键形成的状况；然后探讨断键种典型结构的解理表面上断键形成的状况；然后探讨断键对

37、原子弛豫的影响及再构类型。对原子弛豫的影响及再构类型。对原子弛豫的影响及再构类型。对原子弛豫的影响及再构类型。n n表面再构状况相当困难，影响的因素也很多，很难从理论表面再构状况相当困难，影响的因素也很多，很难从理论表面再构状况相当困难，影响的因素也很多，很难从理论表面再构状况相当困难，影响的因素也很多，很难从理论上依据单一的因素作出全面正确的说明。其主要探讨手段上依据单一的因素作出全面正确的说明。其主要探讨手段上依据单一的因素作出全面正确的说明。其主要探讨手段上依据单一的因素作出全面正确的说明。其主要探讨手段是是是是LEEDLEED试验及模型的设计。这里只能简洁介绍几种公认试验及模型的设计。

38、这里只能简洁介绍几种公认试验及模型的设计。这里只能简洁介绍几种公认试验及模型的设计。这里只能简洁介绍几种公认的理论与试验比较一样的模型。的理论与试验比较一样的模型。的理论与试验比较一样的模型。的理论与试验比较一样的模型。（一）解理面断键的形成（一）解理面断键的形成（一）解理面断键的形成（一）解理面断键的形成n n断键又称断键又称“悬键悬键”，是由表面原子在空间方向失去相邻原，是由表面原子在空间方向失去相邻原子而形成的。断键的形成状况，同晶体结构类型、晶面点子而形成的。断键的形成状况，同晶体结构类型、晶面点阵结构有关。阵结构有关。n n现以立方晶系为例，探讨断键形成状况。现以立方晶系为例，探讨断

39、键形成状况。n n面心立方晶体，原子配位数为面心立方晶体，原子配位数为1212，指数简洁的三个晶面族，指数简洁的三个晶面族为为100100、110110、111111，其中原子密度最大的晶面是，其中原子密度最大的晶面是111111，最简洁解理。，最简洁解理。n n111111解理面呈六角形二维平移周期性结构；解理面呈六角形二维平移周期性结构；fcc111fcc111解理解理面上每个原子失去面上每个原子失去3 3个原子，形成个原子，形成3 3个断键。个断键。n n100100解理面呈正方结构，失去解理面上方位于相邻原胞解理面呈正方结构，失去解理面上方位于相邻原胞面心上的面心上的4 4个原子，形成

40、个原子，形成4 4个断键。个断键。n n110110解理面呈长方结构，在解理晶面上每个原子，失去解理面呈长方结构，在解理晶面上每个原子，失去解理上方相邻二原胞的五个晶面面心上的原子，共解理上方相邻二原胞的五个晶面面心上的原子，共5 5个，个，形成形成5 5个断键。个断键。n n体心立方晶体，配位数为体心立方晶体，配位数为8 8，指数简洁的晶面族为，指数简洁的晶面族为100100、110110、111111。其中原子密度最大的晶面是。其中原子密度最大的晶面是110110，最简，最简洁解理。洁解理。n n110110解理面呈有心长方结构，其原胞中心的原子，失去解理面呈有心长方结构，其原胞中心的原子

41、，失去上方两个体心原胞顶角原子，形成上方两个体心原胞顶角原子，形成2 2个断键；同样可分析个断键；同样可分析得知得知bcc100bcc100解理面上可形成解理面上可形成4 4个体心断键等。个体心断键等。n n金刚石结构，是结晶学探讨中最感爱好的一种结构，其配金刚石结构，是结晶学探讨中最感爱好的一种结构，其配位数为位数为4 4，最简洁解理的晶面是，最简洁解理的晶面是111111晶面族，也是在表面晶面族，也是在表面探讨中具有重要意义的解理面。探讨中具有重要意义的解理面。n n金刚石结构的金刚石结构的111111解理面具有六角形结晶学原胞，其断解理面具有六角形结晶学原胞，其断键的形成有两种可能，取决

42、于解理面的位置，如图键的形成有两种可能，取决于解理面的位置，如图(2.2-7)(2.2-7)所示。所示。图图2.2-7 金刚石结构（金刚石结构（111）解理面）解理面n n图中示出图中示出图中示出图中示出111111解理层剖面，其中解理层剖面，其中解理层剖面，其中解理层剖面，其中 、分别表示共价健取分别表示共价健取分别表示共价健取分别表示共价健取向不同的原子。解理层向不同的原子。解理层向不同的原子。解理层向不同的原子。解理层A A位于单键结合链上，称为单键解位于单键结合链上，称为单键解位于单键结合链上，称为单键解位于单键结合链上，称为单键解理面；解理层理面；解理层理面；解理层理面；解理层B B

43、位于三键结合链上，称为三键解理面。假位于三键结合链上，称为三键解理面。假位于三键结合链上，称为三键解理面。假位于三键结合链上，称为三键解理面。假如金刚石结构的晶体沿单键解理面解理，则解理面上每个如金刚石结构的晶体沿单键解理面解理，则解理面上每个如金刚石结构的晶体沿单键解理面解理，则解理面上每个如金刚石结构的晶体沿单键解理面解理，则解理面上每个原子具有一个断键；沿三键解理面解理，则每个原子具有原子具有一个断键；沿三键解理面解理，则每个原子具有原子具有一个断键；沿三键解理面解理，则每个原子具有原子具有一个断键；沿三键解理面解理，则每个原子具有三个断键。因此，两种解理面的表面再构状况不同。一般三个断

44、键。因此，两种解理面的表面再构状况不同。一般三个断键。因此，两种解理面的表面再构状况不同。一般三个断键。因此，两种解理面的表面再构状况不同。一般状况下，单键解理面比较简洁形成。状况下，单键解理面比较简洁形成。状况下，单键解理面比较简洁形成。状况下，单键解理面比较简洁形成。（二）空键模型（二）空键模型（二）空键模型（二）空键模型n n空键模型是在探讨硅、锗等具有金刚石结构的共价晶体时空键模型是在探讨硅、锗等具有金刚石结构的共价晶体时空键模型是在探讨硅、锗等具有金刚石结构的共价晶体时空键模型是在探讨硅、锗等具有金刚石结构的共价晶体时提出来的。提出来的。提出来的。提出来的。HammanHamman（

45、19681968）等依据硅、锗）等依据硅、锗）等依据硅、锗）等依据硅、锗111111单键解理单键解理单键解理单键解理面的一系列试验，推算并加以证明而逐步完善了这种模型，面的一系列试验，推算并加以证明而逐步完善了这种模型，面的一系列试验，推算并加以证明而逐步完善了这种模型，面的一系列试验，推算并加以证明而逐步完善了这种模型，又称为又称为又称为又称为HH模型。模型。模型。模型。n n关于硅关于硅关于硅关于硅111111解理面的探讨，资料比较多，主要的试验结果，解理面的探讨，资料比较多，主要的试验结果，解理面的探讨，资料比较多，主要的试验结果，解理面的探讨，资料比较多，主要的试验结果，如在如在如在如

46、在LEEDLEED衍射试验中，可以视察到（衍射试验中，可以视察到（衍射试验中，可以视察到（衍射试验中，可以视察到（0,1/20,1/2）衍射束，）衍射束，）衍射束，）衍射束，LanderLander等（等（等（等（19631963年）及年）及年）及年）及HammanHamman（19691969年）得到表面的年）得到表面的年）得到表面的年）得到表面的（2121）结构衍射图样。同样的结果，也在锗）结构衍射图样。同样的结果，也在锗）结构衍射图样。同样的结果，也在锗）结构衍射图样。同样的结果，也在锗111111解理面解理面解理面解理面的衍射图样中得到。试验条件是在常温下，超高真空（的衍射图样中得到。

47、试验条件是在常温下，超高真空（的衍射图样中得到。试验条件是在常温下，超高真空（的衍射图样中得到。试验条件是在常温下，超高真空（10-10-1010乇），入射电压为乇），入射电压为乇），入射电压为乇），入射电压为130130伏。伏。伏。伏。n n空键模型比较成功地说明白空键模型比较成功地说明白空键模型比较成功地说明白空键模型比较成功地说明白Si11121Si11121的清洁表面再构，现的清洁表面再构，现的清洁表面再构，现的清洁表面再构，现在用最简洁的、不涉及更精确的表面态自洽势计算的方法在用最简洁的、不涉及更精确的表面态自洽势计算的方法在用最简洁的、不涉及更精确的表面态自洽势计算的方法在用最简洁

48、的、不涉及更精确的表面态自洽势计算的方法来说明这种模型。来说明这种模型。来说明这种模型。来说明这种模型。n nSi111Si111解理面具有结晶学的六角平面点阵，如图解理面具有结晶学的六角平面点阵，如图解理面具有结晶学的六角平面点阵，如图解理面具有结晶学的六角平面点阵，如图2.2-8 2.2-8 所示。所示。所示。所示。图中忽视再构中键长的变更，并且未标出其次层原子的水图中忽视再构中键长的变更，并且未标出其次层原子的水图中忽视再构中键长的变更，并且未标出其次层原子的水图中忽视再构中键长的变更，并且未标出其次层原子的水平移动。平移动。平移动。平移动。图图2.2-8 Si111（21）空键模型）空

49、键模型n n通过电子云结构可以简洁说明表面第一层原子的纵向弛豫通过电子云结构可以简洁说明表面第一层原子的纵向弛豫机理。机理。n nSi(14)Si(14)的核外电子组态为的核外电子组态为2S22P63S23P22S22P63S23P2，当结合成硅晶体时，当结合成硅晶体时，原子最外层电子云两两重叠构成共价结合。饱和共价键呈原子最外层电子云两两重叠构成共价结合。饱和共价键呈SP3SP3杂化电子云结构。志向晶体的体内原子是由杂化电子云结构。志向晶体的体内原子是由SP3SP3杂化电杂化电子云重叠而结合的。子云重叠而结合的。SP3SP3杂化电子云在空间的分布具有四杂化电子云在空间的分布具有四面体结构，在

50、每一方向的电子云由面体结构，在每一方向的电子云由(1/4)S(1/4)S电子云和电子云和(3/4)P(3/4)P电子云组成。电子云组成。n n表面表面Si Si原子失去一个相邻原子，形成一个断键，原子失去一个相邻原子，形成一个断键，SP3SP3电子云电子云在空间方向处于自由原子的环境，必定须要复原纯在空间方向处于自由原子的环境，必定须要复原纯P P电子电子云或纯云或纯S S电子云，不行能以杂化形式存在。电子云，不行能以杂化形式存在。n n假如表面上原子的电子云由假如表面上原子的电子云由1/4SP31/4SP3复原为纯复原为纯P P电子云，则电子云，则体内另三支体内另三支SP3SP3电子云将贡献