材料表面科学

第1章 引论

1.1 材料表面

1.1.1 表面的定义

1.1.2 材料表面的基本特性

1.2 技术学科群中的材料表面

1.2.1 经典热电离发射

1.2.2 化学工业中催化材料表面

1.2.3 信息学科中的半导体表面

1.2.4 薄膜材料表面与界面

1.2.5 机械学科中的摩擦表面

1.2.6 能源和环境中的材料表面

1.3 本书主题内容

1.3.1 材料表面特性的研究主题

1.3.2 材料表面问题实验研究方法简评

1.4 材料表面科学的形成与发展

1.4.1 Langmuir的贡献

1.4.2 材料表面科学形成的背景

1.4.3 材料表面科学未来的发展空间

参考文献

第2章 材料表面原子迁移扩散

2.1 材料表面稳态结构和原子迁移扩散

2.1.1 概述

2.1.2 理想表面

2.1.3 重构表面

2.1.4 表面偏析

2.2 表面缺陷及扩散机制

2.2.1 表面缺陷与TLK模型

2.2.2 表面原子扩散机制

2.2.3 随机行走模型实验证明

2.2.4 W(110)晶面3d金属表面集合扩散SAM分析

2.3 原子迁移与扩散推动力

2.3.1 经典浓差扩散

2.3.2 表面电迁移

2.3.3 电迁移过程中的界面交换反应

参考文献

第3章 材料表面电子结构

3.1 概述

3.1.1 从原子轨道分裂能级到固体能带

3.1.2 三维晶体电子结构和Bloch波函数

3.1.3 Tamm对表面电子结构的理论证明

3.1.4 表面态的定性理解

3.1.5 费米能EF及费米分布函数F(E)

3.1.6 状态密度

3.2 金属表面电子结构的特点

3.2.1 表面附近电荷密度分布

3.2.2 逸出功

3.3 半导体表面电子结构

3.3.1 表面附近的电子能级关系

3.3.2 费米能和逸出功

3.3.3 费米能级的动态变化及钉扎

3.3.4 空间电荷层

3.4 金属氧化物表面电子结构

3.4.1 过渡金属前金属化合物

3.4.2 过渡金属后金属化合物

3.4.3 过渡金属氧化物表面电子结构

参考文献

第4章 表面原子几何结构及其测定——二维结晶学及低能电子衍射

4.1 二维结晶学

4.1.1 理想晶面

4.1.2 二维结晶学研究内容

4.1.3 二维Bravais格子

4.1.4 四个晶系

4.1.5 二维(表面)结构表示

4.1.6 台阶表面结构表示

4.2 二维倒易点阵

4.2.1 基本概念

4.2.2 正、倒格子的几何关系

4.2.3 实空间和倒易空间Bravais格子

4.3 表面结构测定

4.3.1 低能电子衍射

4.3.2 衍射方程

4.3.3 Eward球

4.3.4 正、倒格子相互表示

4.3.5 吸附层结构测定实例

4.3.6 吸附层原子几何结构

4.3.7 孤立的吸附原子或分子

4.3.8 LEED衍射图的实用价值

4.4 衍射电子束强度测量和LEED定量分析

4.4.1 I-V曲线

4.4.2 实验技术

4.4.3 计算程序

4.4.4 LEED定量分析应用及限制

参考文献

第5章 表面化学元素组成的测定——俄歇电子谱

5.1 引言

5.1.1 电子束与固体表面相互作用,俄歇效应

5.1.2 俄歇电子谱仪的形成

5.1.3 俄歇谱的特点

5.1.4 俄歇电子谱仪的发展

5.2 俄歇电子谱工作原理

5.2.1 俄歇跃迁及俄歇电子发射

5.2.2 两种退激发机制

5.2.3 俄歇跃迁命名及分类

5.2.4 俄歇电子产额

5.3 俄歇电子动能及元素定性分析

5.3.1 理论计算

5.3.2 经验表达式

5.3.3 AES定性分析

5.4 AES定量分析及有关参数

5.4.1 电离截面

5.4.2 非弹性散射及AES分析深度

5.4.3 逃逸深度及相关概念

5.4.4 AL和IMFP的定量计算

5.4.5 背散射电子的影响

5.4.6 俄歇灵敏度因子及定量分析

5.5 俄歇电子谱仪的工作模式及其信息内容

5.5.1 扫描俄歇微探针

5.5.2 一般测定模式

5.5.3 点分析

5.5.4 线扫描

5.5.5 俄歇图

5.5.6 深度剖析

5.6 俄歇化学位移及线形分析

5.6.1 AES谱峰能量位移

5.6.2 俄歇线形分析

参考文献

第6章 表面元素组成及其化学态表征——X射线光电子谱

6.1 概述

6.2 X射线光电子谱仪及其发展

6.2.1 X射线源

6.2.2 能量分析器

6.2.3 检测器

6.2.4 能量基准

6.2.5 荷电效应

6.2.6 成像XPS

6.3 X射线光电子谱基本原理

6.3.1 电子的能级特性和光电发射定律

6.3.2 光电子发射过程中的相互作用

6.3.3 构成XPS谱的基本物理因素

6.4 初态效应和化学位移

6.4.1 化学位移

6.4.2 不均匀本底XPS谱峰展宽

6.4.3 化学位移的复杂性

6.5 终态效应及其伴峰

6.5.1 终态效应的起源

6.5.2 多重分裂

6.5.3 震激与震离

6.5.4 等离子激元和能量损失谱

6.5.5 俄歇伴峰及XAES信息价值

6.6 AD-XPS表面分析技术

6.6.1 AD-XPS工作原理

6.6.2 AD-XPS深度剖析,最大熵法

6.6.3 AD-XPS技术与薄膜厚度测量

6.7 XPS价带谱

6.7.1 金属氧化物电子结构

6.7.2 聚合物XPS价带谱

6.8 XPS定量分析及相关问题

6.8.1 定量分析基本方程

6.8.2 相对灵敏度因子法

6.8.3 背底扣除和强度测定

6.9 谱峰拟合及峰形分析

参考文献

第7章 材料表面分子结构表征——静态次级离子质谱

7.1 离子束和固体表面作用概述

7.2 溅射过程及其产额

7.2.1 SIMS基本方程

7.2.2 纯元素固体的溅射过程

7.2.3 化合物中串级碰撞

7.2.4 溅射粒子的电离及基体效应

7.2.5 分子材料次级离子的形成机制

7.2.6 溅射原子和分子电离过程补充说明

7.3 静态次级离子质谱

7.3.1 SSIMS的特点

7.3.2 静态和动态次级离子质谱对比

7.4 ToF-SIMS谱仪

7.4.1 仪器结构

7.4.2 ToF-SIMS离子源

7.4.3 ToF-SIMS质量分析器

7.4.4 电荷补偿

7.4.5 ToF-SIMS成像

7.4.6 激光后电离ToF-SIMS

7.5 ToF-SIMS信息内容

7.5.1 元素识别

7.5.2 硅片表面污染物检测

7.5.3 聚合物和有机膜表面分析

7.5.4 无机化合物分析

7.5.5 深度剖析

7.5.6 成像分析

7.6 SSIMS定量分析

7.6.1 相对灵敏度因子法

7.6.2 聚合物表面定量表征

参考文献

第8章 材料表面气体吸附与反应

8.1 金属表面气体吸附与反应

8.1.1 概述

8.1.2 从单晶表面到实用催化剂

8.1.3 负载模型催化剂

8.1.4 金属表面CO化学吸附

8.1.5 表面改性对CO化学吸附的影响

8.1.6 CO化学吸附位置及XPS分析

8.1.7 不等价原子吸附时化学位移

8.1.8 分子取向及吸附诱导化学位移

8.2 强金属载体相互作用

8.3 负载原子簇物理化学特性

8.3.1 引言

8.3.2 负载铑（Rh）原子簇CO解离

8.3.3 负载金（Au）原子簇的催化活性

8.3.4 负载金属原子簇的电子结构

8.4 化学传感材料表面气体吸附

8.4.1 气敏化学传感器的工作原理

8.4.2 纳米SnO2薄膜结构特征

参考文献

第9章 异质薄膜材料界面

9.1 异质薄膜材料界面的主要论题

9.2 金属-半导体接触界面

9.2.1 镜像力作用

9.2.2 Schottky接触有效势垒高度

9.2.3 Schottky接触界面横向不均匀性

9.2.4 金属诱导带隙态（MIGS）和电负性

9.2.5 温度.压力对势垒高度的影响

9.3 异质界面扩散反应动力学

9.3.1 异质界面扩散反应研究的难点

9.3.2 Ti/Si界面扩散反应动力学

9.4 纳米级埋藏界面化学结构表征

9.4.1 SiO2/Si界面化学结构

9.4.2 10nmNON薄膜结构

9.4.3 计算机硬盘表面化学结构分析

9.4.4 埋藏界面结构缺陷及污染物分析

9.5 有机光电子材料和器件中的界面问题

9.5.1 几个基本概念

9.5.2 界面电子结构表征

9.5.3 OLED有机物-金属界面

9.5.4 PLED聚合物-金属界面

9.5.5 阳极界面物理和化学问题

9.6 生物有机材料界面

参考文献

第10章 运动状态下的接触界面——摩擦过程界面物理化学

10.1 概述

10.2 接触表面形态和磨损机制

10.2.1 金属磨损表面形态

10.2.2 陶瓷磨损表面形态特征

10.2.3 聚合物磨损表面形态特征

10.3 固体润滑界面结构

10.3.1 固体润滑材料

10.3.2 固体润滑涂层的状态变化

10.3.3 固体润滑膜的化学结构

10.3.4 混合润滑剂中的固体润滑剂

10.4 摩擦界面化学

10.4.1 摩擦表面上反应物的激活方式

10.4.2 ZDDP摩擦反应

10.4.3 ZDDP摩擦反应膜结构表征

10.4.4 ZDDP摩擦膜化学结构细析

10.4.5 极压状态下的接触界面

10.5 纳米材料和器件摩擦化学特点

10.5.1 体系特征

10.5.2 保护层材料特性及摩擦化学分析

10.5.3 纳米润滑、耐磨涂层分子设计

10.5.4 自组装单层润滑膜

10.6 生物体内的动态接触界面

参考文献

本书从原子、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。重点讨论表面原子迁移扩散、表面电子结构及表面原子几何排列这三个基础内容；把工程中各种表面现象概括为三个主要类型，分别讨论了以吸附、催化为代表的气-固界面，半导体和光电器件中的固-固界面以及以摩擦为代表的运动状态下接触界面。同时，分别介绍了几种最常用的表面分析技术，包括测定表面原子几何的低能电子衍射（LEED) ，测定表面元素组成的俄歇电子谱（AES) ，鉴别表面元素化学态的X射线光电子谱（XPS) ，以及获取表面分子结构信息的静态次级离子质谱（SSIMS) 。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，表面元激发过程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。本书可作为物理化学、材料、半导体、催化、摩擦学、光电器件及微纳米机械等专业高年级本科生及研究生教材；对于航天、信息、能源、环境、化工及机械等技术学科领域内从事材料表面科学研究的教师、研究人员及工程技术人员，本书也有很好的参考价值。