1、个人整理 ,仅供参考,对考试结果不负任何责任!表面界面物理复习题1.原子间的键合方式及性能特点原子间的键合方式包括化学键和物理键,其中化学键又分为离子键,共价键和金属键, 物理键又包括分子键和氢键.结合方式 晶体特性离子键 电子转移,结合力大,无方向性和饱和性 硬度高,脆性大,熔点高,导电性差共价键 电子共用,结合力大,有方向性和饱和性 强度高,硬度高,熔点低,脆性大 ,导电性差金属键 依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力使原子结合,电子逸出共有, 结合力较大,无方向性和饱和性导电性,导热性,延展性好, 熔点较高分子键 电子云偏移,结合力很小,无方向性和饱和性 熔点低,硬度低氢键 氢
2、原子同时与两个负电性很大而原子半径很小的原子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。3.晶体（单晶、多晶）的基本概念，晶体与非晶体的区别。单晶:质点按同一取向排列, 由一个核心(晶核) 生长而成的晶体;多晶: 由许多不同位向的小晶体(晶粒) 所组成的晶体.晶体 非晶体原子排列 规则排布 紊乱分布熔点 有固定的熔点 没有明显的熔点性能 各向异性 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:呈周期性的规律排列的阵点所形成的具有等同的周围环境的三维阵列;晶胞:在空间点阵中,能代表空间点阵结构特
3、点的最小平行六面体, 反应晶格特性的最小几何单元;晶面指数: 在晶格中，通过任意三个不在同一直线上的格点作一平面，称为晶面，描写晶面方位的一组数称为晶面指数.一般选取晶面在三个坐标轴上的截距,取倒数作为晶面指数;晶面间距:两近邻晶面间的垂直距离;原子的堆积方式:六角堆积和立方堆积;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.5.表面信息获取的主要方式及基本原理可以通过光子,电子,离子, 声,热,电场和磁场等与材料表面作用,来获取表面的各种信息, 或者利用原子线度的极细探针与被测材料的表面近距离接近,探测探针与材料之间的信号,来获取表面信息.电子束技术原理:离子束技术原理:离子
4、比光子电子都重, 它轰击表面时产生的效应非常明显. 离子不但具有电荷还有电子结构和原子结构,当离子与表面接近时, 除具有静电场和接触电势差作用外, 它本身还可以处于不同的激发电离态,离子还可以与表面产生各种化学反应, 总之, 离子与表面作用后,提供的信息非常丰富.光电子能谱原理:扫描探针显微镜技术原理: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？略X 射线衍射 (XRD)是利用晶体形成 X 射线衍射,对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法.将具有一定波长的 X 射线照射到晶体上时 ,X 射线因在晶体内遇到规则排列的原子或离子而发生散射,散射的 X 射线在某些方向
5、上加强,从而显示与晶体结构相应的特有衍射现象.7.利用光电子能谱（XPS ）和俄歇电子能谱（ Auger）进行表面分析的基本原理和应用范围。光电子能谱表面分析原理:光电子能谱就是利用光子与固体表面的光电效应,分析发射出的光电子的能量分布和角度分布,进而分析表面的成分和价态. 从固体表面发射出的光电子的能力与它原在的原子中所处的状态有关,还与和它作用的光子能力相关. 为了能精确的分析出表面的成分和价态, 要求光子能量稳定,即使用单色光源.一般选用 X 射线作为光源.X 射线激发内壳层电子(芯电子),然后分析这些芯电子的能力分布,从而进行元素的定性分析和化学状态分析.定性分析: 表面成分和价态;定
6、量分析:样品中各元素的相对含量.俄歇电子能谱表面分析原理: AES分析是以电子束（或 X-射线束）为激发源，激发出样品表面的Auger电子，分析Auger电子的能量和强度，可获元素种类、含量和分布，以及化学态等信息。原子内层能级有一个电子被电离后,处于激发态的原子恢复到基态有两种方式(1) 较高能级上的一个电子填入内层空穴,多余的能量作为特征X 射线辐射释放,最后原子呈现单电离状态;(2)内层空穴被外层的电子填入,多余的能量无辐射,直接传递给第二个电子, 并使其发射出来,这个电子就是俄歇电子.定性分析:俄歇电子有特定的能量,确定元素的种类; 定量分析: 根据俄歇电流的大小测定表面元素的相对含量
7、.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。影像模式,得到样品的形貌像;衍射模式,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.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。二次电子是入射电子从样品表面激发出来的能量最低的一部分电子,表明这部分电子来自样品表面最外层的原子;背反射电子是被样品表面直接反射回来的电子,具有与入射电子相近的能量, 接受背反射电子信号,并在显示屏显示,由于原子对入射电子的反射能力随原子序数的增加而增大, 因此,对于表面有不同成分的区域,其平均原子序数的差别将造成显示信号强度的不同
8、.10.说明电子束技术的基本特征，举出几种利用电子束的波动性和粒子性的分析技术。电子具有波粒二象性,利用电子的波动性和粒子性可以将电子束分析技术分为:扫描电子显微镜(SEM)电子显微投射电子显微镜(TEM)低能电子衍射(LEED)波动性电子衍射高能电子衍射 (HEED)外层电子 紫外光电子能谱(UPS)粒子性内层电子 俄歇电子能谱(AES)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。原子的内壳层电子的结合能收到核内,核外电荷的分布影响,任何引起这些电荷分布发生变化的因素,都有可能使原子内壳层电子的结合能产生变化,在光电子能谱图上看到光电子谱峰的位移,这种现象称为电
9、子结合能的位移.固体价带中的电子状态的能力分布由能态密度 来表示,当入射光子能量大于 时,光电子发射()E21eV的能量分布可以看作是价带能态密度分布.可以通过使用 XPS 技术进行固体表面能带研究将价带能态密度测出.12.表面的定义。什么是清洁表面和实际表面？两种不同相的交界区域称为表面,比如凝聚相, 气相和液相之间的界面, 不是几何意义上的平面而是有一定厚度的过渡区.清洁表面指的是除去了吸附层,氧化层, 表面损伤层后, 能够反映材料本征特性的表面(只能在高真空环境下依存).实际表面是未经过任何处理,存在通常环境下中的 S-G 或 L-G 界面.13.什么是表面的 TLK 模型？表面缺陷产生
10、的原因是什么？晶体的表面是不均匀的,表面上平行于原子平面的台阶是由于晶体体相中原子平面的微小配合差错所致,称为位错,进一步观察位错会发现, 这些台阶也并非是平面,而是由若干个阶梯(steps)组成,表面上有平台(Terrace),台阶(Ledge)和扭曲(Kink),统称为 TLK 模型.表面缺陷产生的原因:根据热力学定律, 温度高于绝对零度时, 所有物理系统的熵均不为零.系统的自由能与内能,熵和温度的关系为 F=U-TS,系统稳定的条件时自由能最小,减小 F 的途径有减小内能,或者增加熵值.当熵值增加时,系统的混乱程度增加, 原子排列混乱,特别是温度较高时混乱程度较大,因此容易产生表面缺陷.
11、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。一般的说,表面原子处于不稳定的状态, 为是系统的能力降低, 将会产生两个过程,达到平衡:一是,原子沿垂直于表面方向移动,称为弛豫(表面原子排列中断,在 Z 轴方向失去平衡,表面原子可能向外或向内移动);二是,平行于表面方向移动, 形成不同于理想表面的二位晶格的超晶格, 称为表面重构( 表面区原子排列有明显的变化,原子间距和排列方式变化(晶格常数,晶格结构),或者晶格结构不变,但旋转了一个角度 ).15.为什么表面原子排列与体内不同，请比较重构与驰豫的异同，并解释 Si（111）21 重构的成因清洁表面的原子排列在发生了”中断”
12、后,键, 对称的作用力得不到平衡, 为了降低表面能,表面原子的排列就需要进行调整.弛豫是原子沿着垂直于表面方向移动,重构是原子平行于表面方向移动.Si（111）21 重构的成因:在体内,Si 原子间由 杂化键合,原子以四面体型连结称为金刚石结构.在3sp理想的(1,1,1)面上,硅有一根没有电子配对的 键,这根键称为悬挂键.在表面, 周期性势场发生了中断 ,在那里的原子比较接近孤立原子,所有在该处的原子具有悬挂键必将恢复成纯 或纯 键,这种情况称sp为退杂化.如果表面的悬挂键退化为纯 键, 则 Si 的下面三根键为 杂化:p2sp, 的键角为 120221spsA2p另一悬挂键则退化为 键，则
13、形成s, 的键角为 90231s3体内 Si 间的键合是 杂化键sp,键角 10923spA因为 的键角为 120,比 的键角为 109大, 这将把表面的硅原子往下拉 0.11 埃; 的键角为 903s 3p又比 的键角小,使原子表面上升 0.18 埃, 于是在硅表面有两组原子( 和 ),这样晶胞的尺寸在3s 2sp3sx 方向就比原来大两倍,所以形成了 Si（111 ）21 重构.16.纳米材料有哪些效应？小尺寸效应:当纳米材料结构单元尺寸与光波波长,穿透深度等物理特征尺度相当时, 其内部晶体周期性边界条件将被破坏.量子尺寸效应:当纳米材料的结构单元某一维度上的尺寸降低到某一值时,费米面附近
14、的电子能谱有准连续变为了离散,表面结构和电子态急剧变化, 能隙变宽.表面效应:纳米材料结构单元表面与内部原子的数量比,比表面积, 比表面能都随着基元尺寸的下降而迅速提高.17.说明表面张力和表面自由能分别用于什么情况。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。它们的共同点是：（1）都反映了表面分子受力不均匀的情况；（2 ）两者的数值相同，通常用同一符号表示。它们的不同点是：（1）两者的物理意义不同，表面自由能是指等温、等压、保持组成不变的条件下，可逆地增加单位表面积时，体系吉布斯自由能的增值。表面张力是指表面层分子垂直作用于单位长度的边界上且与表面相切的收缩力.
15、（2 ）两者的单位不同，表面自由能的单位是 Jm-2，而表面张力的单位是 Nm-1.广义地说表面自由能是指保持相应的特征变量和组成恒定时，每增加单位表面积引起该热力学函数的变化值.狭义地说，表面自由能是指保持温度、压力和组成不变时，每增加单位面积所引起的吉布斯自由能的增值.单位是 J m-2 .广义定义： 狭义定义： 表面张力是指：表面层分子垂直作用在单位长度的线段或边界上且与表面平行或相切的收缩力称为表面张力.单位是 N m-1.18.什么是晶体材料的易生长晶面，它与什么因素有关？NaCl 为简立方晶体，它的易生长晶面是什么？表面态的产生原因和种类，它对材料性能有何影响？在表面外侧和内侧，电
16、子的波函数都按指数关系衰减，这表明电子的分布几率在表面处最大，即电子被局限在表面附近。这种电子状态即称作表面态，对应的能级称为表面能级。 在半导体的表面，由于存在自身缺陷、吸附物质、氧化物或与电解液中的物质发生作用等原因，表面存在不饱和的共价键，表面电子之量子状态会形成分立的能级或很窄的能带，称为表面态。19.形成空间电荷区的原因和表面空间电荷区的类型。空间电荷区的形成:以 PN 结为例,由于在半导体接触面两侧存在载流子浓度差,载流子会产生扩散运动,电子由 N 区扩散进入 P 区 ,空穴由 P 区扩散进入 N 区,两侧留下了不能移动的电离杂质电荷,从而形成内建电场阻止扩散运动,当漂移运动和扩散
17、运动达到平衡时,形成空间电荷区, 这也是形成原因,而表面空间电荷区的形成原因主要是存在表面电场.具体原因:表面态的影响; 功函数的差异;氧化层中存在杂质离子;外加偏压的影响.表面空间电荷区类型:根据表面载流子密度的大小与体内值得比较,可以分为多子堆积状态; 平带状态; 耗尽状态;反型状态.20.什么是准费米能级？在非简并情况下, ,其中 和 分别为平衡电子浓度和平衡空穴浓度, 是本证载流子浓度,但20inp0np in是有过剩载流子的情况下,上式不在成立. 不能够用统一的费米能级, 一般引进一个准费米能级来描述电子浓度和空穴浓度.令 和 为非平衡条件下体内或表面空间电荷区中的电子浓度和空穴浓度
18、,它们可以表示为 expFniiipiEkT其中 和 成为准费米能级.FnEp21.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：这是什么类型的半导体？当表面与体内达到平衡时，载流子如何转移？表面区能带如何弯曲？N 型,当表面与体内达到平衡时,电子由体内流向表面.因为表面存在电子势阱.向上弯曲.22.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。23.请分析非平衡载流子的复合过程。材料中存在过剩载流子时,系统处于非平衡状态. 当产生过剩载流子的外界因素消除后, 过剩载流子将逐渐消失.实验指出,对于过剩载流子不
19、是很大的情况下, 在单位时间内,过剩载流子因复合而引起的浓度变化为 (或 ),同它们的浓度成正比 ,即 ,引入比例常数 ,上式可以写为 ,负号表ndAtpt ndAt1ndAt示过剩载流子复合, 为过剩载流子的复合几率.如果是在 t=0 时将外界因素去掉,则体内过剩载流子1的变化为 ,上式表面过剩载流子的密度随时间按指数式衰减.0tnAe24.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。25.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。ZnO 材料属于 N 型半导体, 晶界区存在晶界相, 所以它
20、的晶界区势垒较厚,低偏压时,势垒随电压变化小,电导的主要形式是热电子发射,隧道效应很小; 电压增加, 出现弱反型,当电压超过某一个阈值后,能带弯曲很大,出现强反型,表面区空穴浓度很高, 通过复合中心传导电流,晶界道效应界面态上的电子会通过隧穿效应道进入右边,所以,电流迅速增大.26.什么是表面吸附与偏析？当气体分子运动碰到固体或液体表面,由于气体分子受到表面的不饱和力场的作用,便会停留在表面上,是气体分子在表面中的浓度增加.偏析指的是固-固,固-液界面上,液相或固溶液体中原子(分子)在界面上的富集,即液相或固溶体中溶质原子在界面上的浓度大于其基相.27.比较化学吸附与物理吸附，并画出它们的吸附
21、能曲线；什么是快化学吸附和慢化学吸附？吸附性能 物理吸附 化学吸附作用力 范德华力 剩余价键力吸附热(能) 小 大选择性 无选择性 有选择性吸附速度 快,几乎不需要活化能 较慢,需要活化能形成吸附层 单分子或多分子吸附层 只能形成单分子层其中 LFP 曲线是物理吸附能曲线,HGCFC曲线是化学吸附曲线.F 点对应着化学吸附和物理吸附的过渡,该点的能力成为化学吸附活化能 EB.当 时为活化学吸附,这个过程需要激活, 故过程进行的比较慢, 又称为慢化学吸附;当 时,称为0BE 0BE非活化化学吸附,过程自发进行, 且吸附速率很快, 称为快化学吸附.28.请解释第 IV 型吸附等温线。吸附等温线表示
22、在规定的温度下平衡吸附时气体分压同吸附量之间的关系. IV 型吸附等温线是有回线的一类.等温线在低压下是凸的,表明吸附物质和吸附剂有相当强的亲和力,并且也易确定等温线 B 点的位置(相当于盖满分子层时的饱和吸附量).随着压力的增加,又有多层吸附逐渐产生毛细管凝结,吸附量剧增. 最后,毛细孔中均装满吸附物, 吸附量不在增加, 等温线趋于平缓.29.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？由于氧具有氧化特性,电子会从表明流出与氧结合,从而使表面电导降低, 表面能带向上弯曲,形成耗尽层30.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？氢从导带中接受电子,使势垒增加, 电阻
23、增大, 从而在表面形成耗尽层,又由于反型层中有自由空穴存在,所以电导降低,表面能带向上弯曲.31.扩散有哪些微观机制？其激活能与扩散速度有何不同？间隙机制;空位机制,需要激活能; 交换机制,需要大的激活能;环形机制32.试比较原子在表面、晶界、相界、晶内扩散的方式、速度的异同？在表面或界面处,缺陷的种类比体内多, 浓度比体内大, 原子跳跃的距离也比较大,相应的说,原子通过其周围的缺陷运动的激活能(即遇到的势垒) 都比体内的要小,一般是表面晶界晶格( 晶内).体内由于原子的凝聚性 ,缺陷跳跃的距离受到明显的限制,在表面或界面处原子排列比较疏松,有较大的空间, 一般缺陷的跳跃距离表面晶界晶格(晶内
24、).此处的跳跃距离可以看作扩散的速度33.什么是 Kirkendall 扩散，其发生会导致何种后果？分界面上原子间产生的相互扩散称为基尔肯特扩散.基尔肯特扩散本身是一种体扩散,只有在较高温度下才比较明显,这种扩散后的后果是在界面附近产生附加应力和疏孔.疏孔吸收了水汽, 工业污染气体尔二氧化碳,二氧化硫等之后, 在界面处构成原电池, 致使两种金属的交界面处易被腐蚀,这种界面对附着力,噪声,接触电阻也有很大的影响.34.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？反应机理 （1）反应物迁移过程蒸发-凝聚、溶解-沉淀到相界面上。 （2）在相界面上发生化学反应，传热传质使反应基本在相界面上进行。 （3）反应物通过产物层的扩散，反应物达到一定厚度，进一步反应到必须反应物通过产物层的扩散。编辑本段影响因素 1.反应物化学组成与结构的影响 反应物结构状态质点间的化学键性质、各种缺陷的多少都会影响反应速率。 实际：利用多晶转变、热分解、脱水反应等过程引起晶格效应来提高生产效率。 2.反应物颗粒尺寸及分布的影响 (1)颗粒愈小，反应愈剧烈。 (2)颗粒尺寸可改变反应界面、扩散截面以及颗粒表面结构。 R0 愈小，比表面越大，反应截面越大 ，键强分布曲率变平，弱键比例越大;反应和扩散能力越大。 注意：颗粒尺寸不同反应机理也可能变化。
