表面擴(kuò)散

1、表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散是指原子、離子、分子以及原子團(tuán)在固體表面沿表面方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)固體表面存在化學(xué)勢(shì)梯度場(chǎng)，擴(kuò)散物質(zhì)的濃度變化或樣品表面的形貌變化時(shí)，就會(huì)發(fā)生表面擴(kuò)散。表面原子是在周期勢(shì)中斷的平面上移動(dòng)，因而，表面擴(kuò)散與體內(nèi)擴(kuò)散固然有許多相同之處，但也有自身特點(diǎn)。主要是擴(kuò)散率高，在晶須生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，觀察到的表面擴(kuò)散率高達(dá)1厘米2秒這已與氣相擴(kuò)散過程相近，表面擴(kuò)散過程與表面的取向有關(guān)，用場(chǎng)離子顯微鏡觀察到單個(gè)錸原子在銥的(111)、(113)平臺(tái)

2、上的異質(zhì)表面擴(kuò)散激活能分別為0.52eV及1.17eV，差別很大；表面狀態(tài)如吸附物質(zhì)的存在，也會(huì)強(qiáng)烈影響表面擴(kuò)散。熱振動(dòng)能量的漲落可能使表面原子獲得足夠的能量克服表面勢(shì)壘，變成近鄰位置上的吸附原子，這是最簡(jiǎn)單的完整晶體表面自擴(kuò)散。在實(shí)際晶體表面上存在各種類型的缺陷，根據(jù)表面條件，表面原子可以在平臺(tái)上或沿臺(tái)階移動(dòng)；表面原子也可填充到表面空位上，引起空位的遷移；或發(fā)生更加復(fù)雜的擴(kuò)散過程。研究表面擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)方法主要是放射性示蹤、物質(zhì)傳遞、場(chǎng)離

3、子顯微鏡及場(chǎng)發(fā)射等技術(shù)。人們運(yùn)用這些實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定表面擴(kuò)散系數(shù)用以研究表面動(dòng)力學(xué)過程確定表面勢(shì)。表面擴(kuò)散與燒結(jié)、晶體生長(zhǎng)、薄膜工藝、蠕變等密切相關(guān)。但對(duì)表面擴(kuò)散過程機(jī)理的了解有待深入。表面物理學(xué)表面物理學(xué)表面物理學(xué)是20世紀(jì)60年代以后固體物理學(xué)中的一個(gè)重要而且發(fā)展極為迅速的領(lǐng)域。表面物理學(xué)是固體表面附近的幾個(gè)原子層內(nèi)具有許多異于體內(nèi)的對(duì)稱性質(zhì)。表面物理學(xué)研究在超高真空下（1010～1011Tr），這幾個(gè)原子層內(nèi)原子的排列情況、電子狀態(tài)、

4、吸附在表面上的外來原子或分子以及在表面幾個(gè)原子層內(nèi)的外來雜質(zhì)的電子狀態(tài)和其他物理性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)上是通過電子束、離子束、原子束、光子、熱、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等與表面的相互作用而得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)、表面電子態(tài)、吸附物的品種、結(jié)合的類型和成鍵的取向等信息。例如：由于偏析造成化學(xué)成分與體內(nèi)不同，原子排列情形不同，表明能吸附外來原子或分子形成有序或無序的覆蓋層等表面物理學(xué)表面物理學(xué)內(nèi)容內(nèi)容表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)理想的晶體表面具有二維周期性，其單位網(wǎng)格由基矢a1和a2

5、決定根據(jù)對(duì)稱性的要求，可能形成的二維單位網(wǎng)格有五種，如圖1所示，這五種格子常稱為二維布喇菲格子。由于表面原子受力的情況與體內(nèi)不同或由于有外來原子的吸附，最表面層原子常會(huì)有垂直于或傾表面物理學(xué)表面擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(SEXAFS)是近年來發(fā)展起來的研究表面結(jié)構(gòu)的另一手段。當(dāng)吸附在襯底S上的原子A吸收X射線后，從芯態(tài)發(fā)射的光電子可受到周圍原子的散射，出射電子波與散射電子波之間有干涉作用形成有起伏的末態(tài)。這個(gè)有起伏的末態(tài)使X射線吸收的幾率

6、在吸收邊后有振蕩現(xiàn)象，振蕩的幅度與周期包含了吸附原子A的近領(lǐng)數(shù)及其和周圍原子所形成的鍵長(zhǎng)的信息。鍵長(zhǎng)確定的準(zhǔn)確度達(dá)0.03┱。利用能量為60meV的氦原子在固體表面的彈性散射可以研究襯底和吸附層的周期性結(jié)構(gòu)。足夠強(qiáng)的原子束和表面的強(qiáng)相互作用，使這種探測(cè)方法具有相當(dāng)高的靈敏度。探測(cè)深度只有3～4┱衍射峰的強(qiáng)度主要取決于氦原子和表面原子的相互作用勢(shì)，如何確定與實(shí)際情況最接近的勢(shì)是當(dāng)前的一個(gè)困難問題。將能量在0.1～3MeV的He或H離子束準(zhǔn)

7、直沿著晶軸入射，由于離子束首先遭到晶軸第一個(gè)原子的散射入射離子的軌跡形成一個(gè)影錐。由于入射波束的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于點(diǎn)陣常數(shù)，可把散射過程看作似彈性碰撞，通過測(cè)量在影錐中的原子的散射可以測(cè)定第一層原子的位移。表面成分表面成分表面成分的確定是表面研究中的另一重要課題。利用原子芯態(tài)能級(jí)的位置和原子的質(zhì)量這兩個(gè)特征可以確認(rèn)原子的類別。X射線光電子譜(XPS)是通過測(cè)量入射X射線打出表面外的光電子的動(dòng)能Ek來確定芯態(tài)能級(jí)的位置Eb從而定出原子的類型及其與