材料表面科學

第1章引論.1
1.1材料表面1
1.1.1表面的定義1
1.1.2材料表面的基本特性2
1.2技術學科群中的材料表面4
1.2.1經(jīng)典熱電離發(fā)射4
1.2.2化學工業(yè)中催化材料表面4
1.2.3信息學科中的半導體表面5
1.2.4薄膜材料表面與界面5
1.2.5機械學科中的摩擦表面6
1.2.6能源和環(huán)境中的材料表面6
1.3本書主題內(nèi)容7
1.3.1材料表面特性的研究主題8
1.3.2材料表面問題實驗研究方法簡評9
1.4材料表面科學的形成與發(fā)展11
1.4.1Langmuir的貢獻11
1.4.2材料表面科學形成的背景11
1.4.3材料表面科學未來的發(fā)展空間14
參考文獻15
第2章材料表面原子遷移擴散17
2.1概述17
2.1.1材料表面穩(wěn)態(tài)結構和原子遷移擴散17
2.1.2表面原子穩(wěn)態(tài)結構的客觀表述18
2.1.3理想表面19
2.1.4真實表面19
2.1.5材料尺度和原子的遷移特性26
2.2表面缺陷及擴散機制27
2.2.1表面缺陷與TLK模型27
2.2.2表面原子擴散機制29
2.2.3隨機行走模型30
2.3表面原子擴散實驗研究30
2.3.1Müller的貢獻31
2.3.2表面多原子.分子遷移擴散37
2.3.3表面擴散問題的復雜性43
2.4薄膜生長和表面原子遷移擴散45
2.4.1金屬表面外延生長46
2.4.2外延生長方式及AES信號強度46
2.4.3表面能與生長模式48
2.4.4薄膜生長中的原子過程52
2.5原子遷移與擴散推動力54
2.5.1經(jīng)典濃差擴散54
2.5.2表面電遷移56
2.5.3覆蓋層電遷移問題的處理63
2.5.4電遷移過程中的界面反應65
參考文獻72
第3章材料表面電子結構76
3.1概述76
3.1.1從原子軌道分裂能級到固體能帶76
3.1.2三維晶體電子結構和Bloch波函數(shù)76
3.1.3Tamm對表面電子結構的理論證明78
3.1.4表面態(tài)的定性理解80
3.1.5費米能EF及費米分布函數(shù)F(E)82
3.1.6狀態(tài)密度83
3.2金屬表面電子結構的特點85
3.2.1表面附近電荷密度分布85
3.2.2逸出功85
3.3半導體表面電子結構96
3.3.1表面附近電子的能級關系96
3.3.2逸出功和費米能97
3.3.3吸附對表面費米能級的影響99
3.3.4費米能級的動態(tài)變化及釘扎100
3.3.5空間電荷層105
3.3.6空間電荷層分類107
3.3.7金屬-半導體接觸界面電子結構108
3.4金屬氧化物表面電子結構110
3.4.1過渡金屬前金屬化合物111
3.4.2過渡金屬后金屬化合物114
3.4.3過渡金屬氧化物表面電子結構121
3.5納米材料表面電子結構簡介125
3.5.1從表面說起126
3.5.2納米粒子是物質(zhì)結構的新形態(tài)127
3.5.3納米粒子的電子結構特點127
參考文獻135
第4章表面原子幾何結構及其測定——二維結晶學及低能電子衍射139
4.1理想晶面139
4.1.1晶體表面原子排列的一般特征139
4.1.2二維結晶學研究內(nèi)容142
4.1.3二維Bravais格子144
4.1.4四個晶系144
4.1.5二維（表面）結構表示145
4.1.6臺階表面結構表示148
4.2二維倒易點陣150
4.2.1基本概念150
4.2.2正.倒格子的幾何關系151
4.2.3實空間和倒易空間Bravais格子152
4.3表面結構測定153
4.3.1低能電子衍射154
4.3.2衍射方程155
4.3.3Eward球156
4.3.4正.倒格子相互表示156
4.3.5吸附層結構測定實例157
4.3.6吸附層原子幾何結構160
4.3.7孤立的吸附原子或分子161
4.3.8LEED衍射圖的實用價值162
4.4衍射電子束強度測量和LEED定量分析162
4.4.1I-V曲線162
4.4.2實驗技術165
4.4.3計算程序165
4.4.4LEED定量分析應用及限制166
4.5晶體陶瓷表面結構的一些特點166
4.5.1陶瓷晶體表面的基本結構167
4.5.2金屬氧化物晶體表面169
4.6碳化物表面結構173
4.7氮化物表面結構174
參考文獻176
第5章表面化學元素組成的測定——俄歇電子譜179
5.1引言179
5.1.1電子束與固體表面相互作用,俄歇效應179
5.1.2俄歇電子譜儀的形成181
5.1.3俄歇譜的特點181
5.1.4俄歇電子譜儀的發(fā)展182
5.2俄歇電子譜工作原理184
5.2.1俄歇躍遷及俄歇電子發(fā)射184
5.2.2兩種退激發(fā)機制185
5.2.3俄歇躍遷命名及分類186
5.2.4俄歇電子產(chǎn)額187
5.3俄歇電子動能及元素定性分析188
5.3.1理論計算188
5.3.2經(jīng)驗表達式189
5.3.3AES定性分析189
5.4AES定量分析及有關參數(shù)191
5.4.1電離截面192
5.4.2非彈性散射及AES分析深度193
5.4.3逃逸深度及相關概念193
5.4.4AL和IMFP的定量計算195
5.4.5背散射電子的影響197
5.4.6俄歇靈敏度因子及定量分析199
5.5俄歇電子譜儀的工作模式及其信息內(nèi)容202
5.5.1掃描俄歇微探針202
5.5.2一般測定模式202
5.5.3點分析203
5.5.4線掃描205
5.5.5俄歇圖206
5.5.6深度剖析206
5.6俄歇化學位移及線形分析215
5.6.1AES譜峰能量位移215
5.6.2俄歇線形分析216
參考文獻218
第6章表面元素組成及其化學態(tài)表征——X射線光電子譜222
6.1概述222
6.2X射線光電子譜儀及其發(fā)展..225
6.2.1X射線源226
6.2.2能量分析器230
6.2.3檢測器231
6.2.4能量基準231
6.2.5荷電效應232
6.2.6成像XPS233
6.3X射線光電子譜基本原理239
6.3.1電子的能級特性和光電發(fā)射定律239
6.3.2光電子發(fā)射過程中的相互作用240
6.3.3構成XPS譜的基本物理因素241
6.4初態(tài)效應和化學位移242
6.4.1化學位移243
6.4.2不均勻本底XPS譜峰展寬247
6.4.3微分荷電與結合能位移248
6.4.4化學位移的復雜性249
6.5終態(tài)效應及其伴峰249
6.5.1終態(tài)效應的起源250
6.5.2多重分裂250
6.5.3震激與震離253
6.5.4等離子激元和能量損失譜254
6.5.5俄歇伴峰及XAES信息價值256
6.6AD-XPS表面分析技術260
6.6.1AD-XPS工作原理260
6.6.2AD-XPS深度剖析,最大熵法262
6.6.3AD-XPS技術與薄膜厚度測量266
6.7XPS價帶譜266
6.7.1金屬氧化物電子結構267
6.7.2非計量比和電子特性轉化267
6.7.3聚合物XPS價帶譜268
6.8XPS定量分析及相關問題272
6.8.1定量分析基本方程272
6.8.2相對靈敏度因子法275
6.8.3背底扣除和強度測定276
6.9譜峰擬合及峰形分析279
6.10主元分析281
參考文獻283
第7章材料表面分子結構表征——靜態(tài)次級離子質(zhì)譜287
7.1離子束和固體表面作用概述287
7.2濺射過程及其產(chǎn)額289
7.2.1SIMS基本方程289
7.2.2純元素固體的濺射過程289
7.2.3化合物中串級碰撞300
7.2.4濺射粒子的電離及基體效應302
7.2.5分子材料次級離子的形成機制304
7.2.6濺射原子和分子電離過程補充說明306
7.3靜態(tài)次級離子質(zhì)譜311
7.3.1SSIMS的特點311
7.3.2靜態(tài)和動態(tài)次級離子質(zhì)譜對比312
7.4ToF-SIMS譜儀313
7.4.1儀器結構313
7.4.2ToF-SIMS離子源313
7.4.3ToF-SIMS質(zhì)量分析器315
7.4.4電荷補償317
7.4.5ToF-SIMS成像318
7.5激光后電離ToF-SIMS319
7.5.1LPI-ToF-SIMS儀器結構及實驗要點319
7.5.2LPI-ToF-SIMS工作原理320
7.5.3光電離幾率321
7.5.4LPI-ToF-SIMS基本方程324
7.5.5LPI-ToF-SIMS實驗參數(shù)325
7.6ToF-SIMS信息內(nèi)容330
7.6.1元素識別330
7.6.2硅片表面污染物檢測331
7.6.3聚合物和有機膜表面分析332
7.6.4無機化合物分析340
7.6.5深度剖析343
7.6.6成像分析345
7.7SSIMS定量分析347
7.7.1相對靈敏度因子法347
7.7.2聚合物表面定量表征348
參考文獻360
第8章材料表面氣體吸附與反應365
8.1金屬表面氣體吸附與反應365
8.1.1概述365
8.1.2從單晶表面到實用催化劑365
8.1.3負載模型催化劑367
8.1.4金屬表面CO化學吸附367
8.1.5表面改性對CO化學吸附的影響378
8.1.6CO化學吸附位置及XPS分析383
8.1.7不等價原子吸附時化學位移387
8.1.8分子取向及吸附誘導化學位移388
8.2吸附或沉積物對襯底表面結構的影響389
8.2.1背景簡述389
8.2.2吸附質(zhì)誘導襯底表面結構改變389
8.2.3強金屬載體相互作用394
8.3負載原子簇物理化學特性398
8.3.1引言398
8.3.2負載銠（Rh）原子簇CO解離400
8.3.3負載金（Au）原子簇的催化活性400
8.3.4負載金屬原子簇的電子結構402
8.4化學傳感材料表面氣體吸附與反應407
8.4.1氣敏化學傳感器的工作原理407
8.4.2氣體分子吸附誘導傳感材料表面電子結構的變化409
8.4.3納米SnO2薄膜結構特征412
參考文獻420
第9章異質(zhì)薄膜材料界面426
9.1異質(zhì)薄膜材料界面的主要論題426
9.2金屬-半導體接觸界面427
9.2.1鏡像力作用427
9.2.2Schottky接觸有效勢壘高度428
9.2.3Schottky接觸界面橫向不均勻性431
9.2.4金屬誘導帶隙態(tài)（MIGS）和電負性433
9.2.5溫度.壓力對勢壘高度的影響436
9.3異質(zhì)界面擴散反應動力學438
9.3.1異質(zhì)界面擴散反應研究的難點438
9.3.2Ti/Si界面擴散反應動力學439
9.4納米級埋藏界面化學結構表征447
9.4.1SiO2/Si界面化學結構448
9.4.210nmNON薄膜結構449
9.4.3計算機硬盤表面化學結構分析451
9.4.4埋藏界面結構缺陷及污染物分析452
9.5有機光電子材料和器件中的界面問題455
9.5.1幾個基本概念456
9.5.2界面電子結構表征460
9.5.3OLED有機物-金屬界面462
9.5.4PLED聚合物-金屬界面465
9.5.5陽極界面物理和化學問題467
9.6生物有機材料界面472
參考文獻479
第10章運動狀態(tài)下的接觸界面——摩擦過程界面物理化學484
10.1概述484
10.2接觸表面形態(tài)和磨損機制485
10.2.1金屬磨損表面形態(tài)485
10.2.2陶瓷磨損表面形態(tài)特征490
10.2.3聚合物磨損表面形態(tài)特征492
10.3固體潤滑界面結構492
10.3.1固體潤滑材料493
10.3.2固體潤滑涂層的狀態(tài)變化495
10.3.3固體潤滑膜的化學結構497
10.3.4混合潤滑劑中的固體潤滑劑499
10.4摩擦界面化學500
10.4.1摩擦表面上反應物的激活方式501
10.4.2ZDDP摩擦反應502
10.4.3ZDDP摩擦反應膜結構表征509
10.4.4ZDDP摩擦膜化學結構細析516
10.4.5極壓狀態(tài)下的接觸界面526
10.5納米材料和器件摩擦化學特點530
10.5.1體系特征530
10.5.2保護層材料特性及摩擦化學分析530
10.5.3納米潤滑.耐磨涂層分子設計535
10.5.4自組裝單層潤滑膜537
10.6生物體內(nèi)的動態(tài)接觸界面540
參考文獻...545