材料表面界面物理复习题

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. 离子键 共价键 结合方式 电子转移,结合力大,无方向性和饱和性 电子共用,结合力大,有方向性和饱和性 晶体特性 硬度高,脆性大,熔点高,导电性差 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导电性,导热性,延展性好,熔点较高 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 分子键 氢键 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.

原子排列 熔点 性能

晶体 规则排布 有固定的熔点 各向异性 非晶体 紊乱分布 没有明显的熔点 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.

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.

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) 波动性 低能电子衍射(LEED) 电子衍射 高能电子衍射(HEED) 外层电子 粒子性 内层电子

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?(E)来表示,当入射光子能量大于21eV时,光电子发射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

俄歇电子能谱(AES) 紫外光电子能谱(UPS) 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.

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）2×1重构的成因

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),原子振动频率表面>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).[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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ug9x.html