表面物理讲座第七讲 表面缺陷和表面扩散

表面缺陷和表面扩散在真空镀膜、薄膜半导体器件工艺、粉末冶金、多孔载体上催化剂颗粒的稳定性等实际问题中有重要的作用,得到了广泛的重视.本讲主要介绍晶体表面的原子结构、表面缺陷、表面扩散和有关的一些实验研究方法. 一、晶体表面的原子结构 理想的具有平移对称性的晶体     

漫谈表面物理学

 表面研究的重要性很早就为科学家所认识.在本世纪二十年代,美国物理学家吉布斯就提出了表面相的概念,并且奠定了表面热力学的基础.但从现代科学的意义上说的表面物理学则是从六十年代初才开始发展起来的.这是由于超高真空技术的实用化和各种电子能谱技术的发明,人们便能够从原子的线度上来研究表面的性质以及在其上面所发生的物理和化学过程,从而奠定了现代表面物理学的基础.     

摩擦学中的表面效应

在摩擦学的研究中,表面状态是一个核心问题.表面的几何形状、粗糙程度以及参与摩擦运动的材质对摩擦和磨损的影响属于宏观的范畴,本文不再涉及.这里讨论的是摩擦表面的原子本质,特别是接触过程中粘附的微观过程及表面状态对摩擦过程的影响. 由于超高真空系统及各种表面分析仪器     

硅表面SiO_2薄膜中钠的沾污

在半导体器件中,由于硅表面SiO2薄膜中钠的沾污,严重地影响着器件的稳定性、可靠性及成品率.对于MOS器件,这一影响就更为突出,因此深为人们关注.究竟如何有效地除去氧化膜中的Na ,提高器件的可靠性和电学稳定性,这已成为国内外研究的重要课题. 已有大量的实验证实,在1150℃下的氧化气氛中掺进6%克分子浓度的HCl气体,能大大减少氧化膜中可动的离子数[1-5].但机理尚不明确,影响了它的广泛应用.对此,我们利用中子活化与离子微探针分析技术,通过测定SiO2薄膜中钠的含量及Na 与Cl-在氧化膜中的纵向分布,研究了掺HCl氧化改善Na 影响的机理;…     

半导体闪络引起的材料表面破坏现象研究

长期以来,沿半导体表面的闪络现象使得很多高功率半导体器件只能工作在相对较低的电场下,限制了它们的发展,而目前对半导体闪络的物理机理尚不明确.开展了冲击高压下Si及GaAs半导体的表面闪络实验,通过红外摄影观察到闪络过程中半导体表面存在的细丝状电流通道,且发现电极中央区域会出现明显红外辐射集中点.在闪络后的材料表面可以观察到细丝状破坏现象,其中在破坏后的n100型Si材料表面的细丝通道周围发现了凹坑形结构,凹坑中心存在圆锥状突起.结合电极边缘细丝状的破坏现象,讨论了电极边缘的热注入和内部多数载流子的弛豫特性 关键词： 半导体 表面闪络 细丝电流 表面破坏     

单层MoS_2表面吸附Ag_6团簇电子结构的第一性原理计算

本文运用第一性原理研究了单层MoS_2在S位吸附Ag_6团簇的稳定性、能带结构和态密度.结果表明,Ag_6团簇在S位单点位吸附的稳定性强于双点位吸附、三点位吸附;其中吸附体系禁带中产生了2条杂质能级,原因在于Ag原子与S形成共价键下的施主能级与受主能级;Ag_6团簇在单层MoS_2的吸附导致态密度峰值在费米能级处发生劈裂,说明Ag_6团簇的吸附会增强单层MoS_2的光电特性;单层MoS_2的能带结构可以通过表面吸附Ag_6团簇以及金属团簇进行调控;在实际的生产应用中依据不同的金属团簇吸附于单层MoS_2表面得到需要的的半导体器件.     

GaAs表面硫钝化研究新进展

ＧａＡｓ及其他Ⅲ－Ⅴ族半导体表面钝化一直是人们感兴趣的研究课题,在半导体器件制造工艺的发展中起着重要的作用,文章着重从钝化方法和钝化机理两方面简单地回顾了近年来ＧａＡｓ表面硫钝化的最新研究进展。     

银表面光学二次谐波参数的研究

本文测量了几种玻璃-银膜界面反射二次谐波随入射光偏振角的变化,测量了超高真空中多晶银基底上冷凝银膜表面退火前后的反射二次谐波,以及超高真空中纯度为99.99%多晶银表面的反射二次谐波,计算了垂直和平行表面谐波电流参数a、b,得到对棱镜-银界面b=-0.97;α=2.1,多晶银表面α=-9,冷凝银膜退火前后α分别为7和-5.结果表明.α对表面状况极为敏感.     

表面等离子体增强氧化锌纳米带发光特性的研究

利用简单的化学气相沉积方法在低温下高产量地合成了ZnO纳米带, 并利用磁控溅射对样品进行表面修饰, 制备了Au-ZnO复合纳米带. 通过扫描电镜、透射电镜及微区拉曼等手段系统地研究了表面修饰对ZnO 纳米材料发光性能的影响.结果表明, 在ZnO纳米带上溅射Au纳米颗粒, 可有效增强其近带边发光并使可见发光强度发生淬灭, 从而增强ZnO纳米带的发光性能. ZnO纳米带发光增强因子η最大可达到85倍. 基于Au纳米颗粒的散射、吸收、Purcell增强因子, 以及Ostwald熟化理论, 又进一步探讨了Au-ZnO复合材料的发光机制. 采用表面等离子体耦合的方法可以有效地提高光电半导体器件的发光效率. 关键词： 表面等离体子 光致发光 氧化锌     

非局域表面暗孤子及其稳定性分析

非局域体介质中的暗孤子及表面亮孤子由于在光通信领域的潜在应用而受到极大关注,然而到目前为止却没有对非局域表面暗孤子的研究.在线性介质和非局域非线性介质的分界面上,数值模拟得到了1+1维非局域基态和二阶表面暗孤子,研究了它们的波形与传播常数和介质非局域程度的关系,基于它们的稳定性分析进行了理论推导和数值模拟.稳定性分析结果表明:1+1维非局域基态表面暗孤子在其存在区域总是稳定的,而二阶表面暗孤子是区域不稳定的,其不稳定区域的宽度与传播常数以及介质的非局域程度有关系,且受传播常数的影响更大.加噪声的初始输入传输图验证了稳定性分析结果的正确性.     

表面能梯度驱动下纳米水滴在不同微结构表面上的运动

近年来, 微观尺度下水滴在能量梯度表面上的运动情况受到了广泛关注, 然而通过实验进行研究尚存在困难. 本文利用分子动力学方法研究了不同微结构表面上纳米水滴在表面能梯度驱动下的运动情况. 结果表明: 槽状和柱状微结构可以明显提升纳米水滴在微结构表面上的运动效率, 钉状微结构会降低纳米水滴的运动效率, 尽管它具有稳定的疏水性; 结合槽状和钉状结构的混合状微结构兼具二者的优点, 不但可以有效地提高纳米水滴在粗糙表面上的运动效率, 而且具有比较高的疏水稳定性. 此外, 表面能的微小改变会明显影响水滴的运动效率.     

被羰基镍污染的CO气体在Cu(111)表面的近常压吸附研究

本文利用近常压X射线光电子能谱和近常压扫描隧道显微镜研究了在超高真空(UHV)和近常压条件下,被羰基镍污染的CO气体在Cu(111)表面的吸附过程. 通过控制被污染CO的气体压力,可以在Cu(111)表面上形成Ni-Cu双金属催化剂. 此外,本文探索了CO在所形成的Ni-Cu双金属表面上的吸附和解离过程,并报道了几种CO的高压吸附相结构.     

第一性原理研究BaTiO3(001)表面的电子结构

在密度泛函理论的基础上,采用平面波赝势方法计算了立方相BaTiO3(001)表面的电子结构.结构优化表明最表层原子都向体内弛豫,且金属原子弛豫幅度最大,同时各层层间距变化呈交错分布.对两种表面结构的总能计算发现TiO:表面稳定性比BaO表面弱,一方面是由于TiO2表向结构中存在O-2p表面态,使价带和导带中电子态向高能区域偏移.另一方面,TO2表面附近Tj-O共价键存在强弱差异,有利于发生表面吸附.而在BaO表面结构中,最表层BaO的存在消除了这种差异,因而其表面稳定性较强.     

用扫描隧道显微镜操纵Cu亚表面自间隙原子

在超高真空环境下使用扫描隧道显微镜研究了吸附有双甘氨肽分子的Cu(001)表面.在一定的 偏压条件下，针尖在该表面扫描后会形成纳米尺度的Cu团簇，这些团簇可以根据意愿排列成 字母或图形.团簇的高度同偏压、隧道电流以及时间等条件有密切关系.在室温下可以稳定存 在的团簇为制造纳米器件提供了技术上的可能性.实验结果表明，形成团簇的Cu原子不是来 自Cu衬底表面或是针尖.化学吸附在Cu表面的双甘氨肽分子，受到隧道电场的作用会在Cu表 面形成张应变场，Cu亚表面自间隙原子在张应变场作用下迁移到表面是形成团簇的原因. 关键词： 扫描隧道显微镜 纳米尺度Cu团簇 自间隙原子     

水在金属氧化物表面的吸附与解离

水(H2O)由H原子和O原子组成.地球上有大量的水,若能找到一种经济、实用的方法将H2O解离生成H2和O2,则在新能源的开发和应用方面,意义深远.水在固体表面的吸附现象极为普遍,在某些金属或金属氧化物表面,H2O被吸附并解离成OH-和H+.文章以有序氧化镁(MgO(100))薄膜和Pd/MgO(100)体系为例,在超高真空条件下,用光电子能谱和高分辨电子能量损失谱方法,研究了水在它们表面的吸附与解离.研究结果表明,H2O在MgO(100)表面可以被部分解离,而H2O在Pd/MgO(100)表面的解离与Pd的含量有关.了解水与固体表面的相互作用机理还需要做更多的基础研究工作.     

PbZrO3(110)极化表面指向合成的理论探索

锆钛酸铅薄膜材料由于其优异的性能被广泛应用于介电和压电材料领域, 尽管在材料中有诸多应用, 但是目前锆钛酸铅材料的极化表面指向合成技术依然不够成熟. 因此本文通过第一性原理方法对PbZrO3 (110) 表面开展了理论研究, 计算了(110)极化表面的原子结构和电子结构, 得到了稳定化相图. 计算的结果表明, 计量比表面是通过改变电子结构满足极化补偿, 非计量比表面则是通过自掺杂满足极化补偿. 在铅和氧含量均较低的合成条件下,PbZrO(110)终结面可以稳定合成; 在铅和氧含量都很高或者铅含量很低、 氧含量较高的条件下, O2 (110) 终结面可以稳定合成; 在其它条件下, 合成的计量比(110)表面容易转化为(001) 面, 但是可以通过表面自掺杂的方式保证部分条件下(110)表面稳定性.     

被羰基镍污染的CO气体在Cu(111)表面的近常压吸附研究（英文）

本文利用近常压X射线光电子能谱和近常压扫描隧道显微镜研究了在超高真空(UHV)和近常压条件下,被羰基镍污染的CO气体在Cu(111)表面的吸附过程.通过控制被污染CO的气体压力,可以在Cu(111)表面上形成Ni-Cu双金属催化剂.此外,本文探索了CO在所形成的Ni-Cu双金属表面上的吸附和解离过程,并报道了几种CO的高压吸附相结构.     

溅射方法干式处理超导加速腔表面的研究与分析

详细研究了利用超高真空氩离子清洗技术发展的一种超导铌腔表面的“干式”处理方法,从微观和宏观角度分析了溅射处理对铌的表面特性和对超导腔性能的影响.与传统的“湿式”处理方法(化学抛光BCP和电抛光EP)相比,干式处理方法具有结构简单、容易控制、没有污染等优点,是一种很有潜力的超导腔处理方法,可以提高超导腔的性能. 关键词： 超导加速腔 溅射 形貌分析 残留电阻比RRR     

沉积态铀薄膜表面氧化的X射线光电子能谱

含铀(U)薄膜在激光惯性约束聚变的实验研究中有重要的用途.研究其在不同气氛下的氧化性能可以为微靶制备、储存及物理实验提供关键的实验数据.通过超高真空磁控溅射技术制备了纯U薄膜及金-铀(Au-U)复合平面膜,将其在大气、高纯氩(Ar)气及超高真空度环境中暴露一段时间后,利用X射线光电子能谱仪结合Ar~+束深度剖析技术考察U层中氧(O)元素分布及价态,分析氧化产物及机理.结果显示,初始状态的U薄膜中未检测到O的存在.Au-U复合薄膜中的微观缺陷减弱了Au防护层的屏蔽效果,使其在3周左右时间内严重氧化,产物为U表面致密的氧化膜及缺陷周围的点状腐蚀物,主要成分均为二氧化铀(UO_2).在高纯Ar气中纯U薄膜仅暴露6 h后表面即被严重氧化,生成厚度不均匀的UO_2.在超高真空度环境下保存12 h后,纯U薄膜表面也发生明显氧化,生成厚度不足1 nm的UO_2.Ar~+束对铀氧化物的刻蚀会因择优溅射效应而使UO_2被还原成非化学计量的UO_(2-x),但这种效应受O含量的影响.     

第一性原理研究BaTiO3(001)表面的电子结构

在密度泛函理论的基础上,采用平面波赝势方法计算了立方相BaTiO₃(001)表面的电子结构.结构优化表明最表层原子都向体内弛豫,且金属原子弛豫幅度最大,同时各层层间距变化呈交错分布.对两种表面结构的总能计算发现TiO₂表面稳定性比BaO表面弱,一方面是由于TiO₂表面结构中存在O-2p表面态,使价带和导带中电子态向高能区域偏移.另一方面,TO₂表面附近Ti—O共价键存在强弱差异,有利于发生表面吸附.而在BaO表面结构中,最表层BaO的存在消除了这种差异,因而其表面稳定性较强. 关键词： 第一性原理 钛酸钡 电子结构 表面能