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     

表面熔化

对近年来人们十分关注的表面熔化问题，从理论和实验上进行了综述性讨论。综述了一些金属晶体、冰及石墨吸附Ａｒ膜表面熔化的特征及其热力学理论解释。评述了半导体Ｇｅ（１１１）表面熔化的独特性质。     

表面电磁波

一、引 言 近几年来,表面物理的研究引起人们的很大重视.与此同时,对表面电磁波的兴趣也随之增加起来.我们这里所说的表面电磁波,是指表面极性元激发与电磁波(光子)的耦合模即表面极化激元波(surface polaritons),它沿着两种介质之间的界面以准波的形式传播。其振幅随着远离界面指数式迅速衰减.也就是说,波被“束缚”在界面上.以铜一空气界面为例,当入射激光波长是10.6um时,表面电磁波沿界面的传播长度为1.9cm,而它在金属内的穿透深度仅为250A,即传播长度是穿透深度的7.6×105倍.依照不同的界面条件,极性元激发可以是光学声子、激子、等离…     

表面物理讲座第五讲 半导体表面

在半导体器件发展的初期,人们就已经知道半导体器件的稳定性在很大程度上依赖于半导体表面的状况.由于在工艺过程中难以严格控制表面的条件,为了保证器件的稳定性,只得对表面尽量采取有效的钝化措施.近十余年来由于超高真空技术的发展,不仅可以制备清洁的表面,而且可以在超高真     

表面物理与表面物理国家重点实验室

 日常生活中人们无时无刻不在与表面打交道,人类对物质的认识也总是从表面开始才能够逐渐深入的。我们生活在地球表面,在板块运动以及空气和水的侵蚀作用下,地表形成复杂的山川河流,由此我们欣赏到迷人的自然风光。在较小的尺度下,各种植物的枝叶、果实在表面应力作用下呈现不同的形状,为我们识别、利用丰富的自然资源提供了特征依据。人们甚至通过对材料表面进行修饰,从而实现对其功能的设计和调控,比如在钢铁表面电镀惰性金属,可以大大提高钢铁结构的抗腐蚀能力和美观性;而通过对镜头表面镀膜厚度的控制,能够实现滤光或增透的目的。在肉眼不能直接观察的微观尺度上,表面上发生的众多物理、化学现象和过程,也在我们的生产生活中扮演着重要的角色,比如金属纳米颗粒对一些重要化学反应的催化作用,半导体界面对电子传输的调制作用等。正是表面科学帮助人们理解这些行为产生的微观机理,并帮助人们探索控制、优化材料相应功能的方法,从而推动人类文明社会的发展。     

表面谱学

十五年来表面分析取得了很大的进展,其中表面谱学的发展及其应用起了重要作用。本文试图介绍表面光谱分析中的一些基本概念以及它们在表面科学中能够解决的一些重要问题。实际上,我们是想给读者提供一些表面分析中的基本技术。文中所涉及的例子都取自国际商用机器公司ThomasJ·Watson 实验室。     

表面桥氧空位对甲醛在二氧化钛表面吸附的影响

Oxygen vacancy (O_v) has significant influence on physical and chemical properties of TiO₂ systems,especially on surface catalytic processes.In this work,we investigate the effects of O v on the adsorption of formaldehyde (HCHO) on TiO₂(110) surfaces through firstprinciples calculations.With the existence of O_v,we find the spatial distribution of surface excess charge can change the relative stability of various adsorption configurations.In this case,the bidentate adsorption at five-coordinated Ti (Ti_5c) can be less stable than the monodentate adsorption.And HCHO adsorbed in O_v becomes the most stable structure.These results are in good agreement with experimental observations,which reconcile the long-standing deviation between the theoretical prediction and experimental results.This work brings insights into how the excess charge affects the molecule adsorption on metal oxide surface.     

水在光诱导制备TiO2(110)表面BBO氧空位过程中的抑制作用 (cited: 1)

利用程序升温脱附谱研究了用266 nm激光在表面制备不同氧空位浓度的方法．实验表明利用266 nm激光能够很容易产生表面氧空位．同样90 s光照,在光子数密度大于6.7×10¹⁶ photons/cm²s的时候,表面氧空位浓度和和光子数密度成线性关系．在光照过程中,没有观测到氧气和钛原子的脱附,表明利用266 nm激光在TiO₂(110)-(1×1)制备氧空位是一种有效而且温和的方式．而在表面提前吸附水利用激光产生氧空位的速率比干净的表面慢了两个数量级．进一步研究表面,预先吸附了水后,在光照过程中水更容易脱附,导致桥氧原子的脱附被抑制,降低了氧空位产生的速率     

甲醇在TiO2(110)表面光催化氧化的波长相关性

用程序升温脱附谱的方法研究了甲醇在TiO₂(110)表面光催化氧化的波长相关性．对于不同波长的激发光,甲醇光催化解离的产物相似,都是在光照的过程中通过O-H键和C-H键的断裂形成甲醛,解离出的氢原子转移到相邻的两配位的桥氧原子(O_b)上形成O_bH．但是反应速率与激发光波长强烈相关．在360 nm光照下,甲醇的反应速率是400 nm光照时的4.8倍．这与以前使用时间分辨的飞秒激光吸收光谱测量的结果是一致的,他们认为近带隙激发和过带隙激发产生的电荷相比,前者的复合速率要远快于后者．     

直接观测乙醇分子在TiO2(110)面的光催化过程

利用扫描隧道显微镜研究了在低温(80 K)下乙醇分子在TiO₂(110)面的光解离过程．在这种温度下,大部分乙醇分子都以分子吸附的形式吸附在表面五配位钛位．在紫外光照射之后,乙醇发生了光解离,两种不同的产物特征被探测到．使用针尖操控技术对其中一种产物特征进行了详细的分析,成功了解了它的构成,中间一个五配位钛位吸附的乙醛分子加上位于左右两个不同氧列的羟基构成了这种产物．接着实施了多次光照实验来进一步研究乙醇两种光解离产物特征之间的联系．     

甲醇在二氧化钛上的光化学性质与表面结构的相关性

通过双光子光电子的方法探测了TiO₂(011)-(2×1) 和TiO₂(110)-(1×1)表面的光催化氧化甲醇的性质. 在吸附了甲醇的二氧化钛(011)和(110)界面处探测到了一个费米能级以上2.5 eV的电子激发态,该电子激发态可作为测试二氧化钛界面还原性的探针使用. 利用此探针在甲醇/TiO₂(011)-(2×1)和甲醇/TiO₂(110)-(1×1)界面探测到了一个随光照时间的电子激发态信号变化,这一变化可以归于光催化生成的表面羟基对界面还原性的影响. 由此得出的光催化氧化甲醇的速率TiO₂(110)-(1×1)比TiO₂(011)-(2×1)快了大约11.4倍. 这可能由于表面原子结构排布的原因不同. 本工作不仅介绍了一个利用双光子光电子能谱探测到的甲醇/TiO₂界面电子结构的细节特征,还揭示了表面结构对二氧化钛光反应性质的重要影响.     

CH3OH/TiO2(110)界面的光电子能谱研究

Methanol/TiO₂(110) is a model system in the surface science study of photocatalysis where methanol is taken as a hole capture. However, the highest occupied molecular orbital of adsorbed methanol lies below the valence band maximum of TiO₂, preventing the hole transfer. To study the level alignment of this system, electronic structure of methanol covered TiO₂(110) surface has been measured by ultraviolet photoelectron spectroscopy and the molecular orbitals of adsorbed methanol have been clearly identified. The results indicate the weak interaction between methanol and TiO₂ substrate. The static electronic structure also suggests the mismatch of the energy levels. These static experiments have been performed without band gap excitation which is the prerequisite of a photocatalytic process. Future study of the transient electronic structure using time-resolved UPS has also been discussed.     

乙醇在TiO2(110)表面光催化解离的动力学和超快电子动态学 (cited: 2)

采用实时双光子光电子能谱和时间分辨双光子光电子能谱技术分别研究了乙醇在该表面光催化解离的动力学和超快电子动态学过程. 通过测量与乙醇光催化解离相关的电子激发态随时间的演化,发现这个反应满足分型动力学. 乙醇在还原性TiO₂(110)上的光催化解离比在氧化性表面快,这归结于缺陷的存在降低了反应能垒. 这样一个反应的加速过程很可能是与缺陷电子相关的. 通过干涉双脉冲相关的测量,得到了乙醇-TiO₂界面电子激发态的超快动态学. 与甲醇的情况类似,这个电子激发态的寿命为24 fs. 激发态的出现为TiO₂和它周围环境的电子转移提供了一个通道.     

Pyrocatechol as a surface capping molecule on rutile TiO2 (110)

A ‘cap and dip’ method of adsorbing ruthenium di-2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid diisocyanate (N3 dye) on a rutile TiO₂ (110) surface was investigated using pyrocatechol as a capping molecule. This method involves cleaning the rutile surface in ultra-high vacuum (UHV), depositing pyrocatechol onto the surface to ‘cap’ the adsorption sites, removing from vacuum, ‘dipping’ in an N3 dye solution and returning to vacuum. Photoemission measurements following the return of the crystal to vacuum suggest that the pyrocatechol keeps the surface free from contamination on exposure to atmosphere. Photoemission spectra also indicate that the pyrocatechol capping molecules are replaced by the N3 dye in solution and that the N3 dye is adsorbed intact on the rutile TiO₂ (110) surface. This technique may allow other large molecules, which are thermally unstable to evaporation in UHV, to be easily deposited onto TiO₂ surfaces.     

The interaction between hexahydroxytriphenylene and the rutile TiO2(110)-(1 × 1) surface at UHV conditions

The interaction between 2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene (HHTP) and the rutile TiO₂(110)–(1 × 1) surface under ultrahigh vacuum (UHV) conditions was investigated using X-ray photoemission spectroscopy (XPS), ultraviolet photoemission spectroscopy (UPS), near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy, and density functional theory (DFT) calculations. The NEXAFS results showed that HHTP molecules formed a submonolayer and a monolayer that aligned along the [001]-direction with, respectively, a more or less flat downward orientation and a more upright orientation to the TiO₂ surface. The HHTP molecules that aligned along the [001]-direction were most likely grafted onto the TiO₂(110) surface by a bidentate bridge between each of the oxygen atoms of one of the catechol units within the HHTP molecule and two adjacent Ti(5f)⁴⁺ ions on the TiO₂(110) surface. The coordination is non-dissociative in the case of the submonolayer, but dissociative in the monolayer, according to the analysis of the C1s XPS, UPS, C1s NEXAFS data and complementary DFT calculations.     

Synchrotron-Radiation Photoemission Study of Growth and Stability of Au Clusters on Rutile TiO2(110)-1×1

利用同步辐射高分辨光电子能谱研究了金团簇在部分还原TiO₂-(1×1)表面的生长和稳定性．价带谱实验结果观察到非常少量金团簇的沉积导致了Ti3+的3d峰完全消失,表明金团簇成核在TiO₂-(1×1)表面的氧缺陷位．Au4f芯电子光电子能谱实验结果证明了TiO₂-(1×1)表面氧缺陷位向金团簇转移电荷．还对比研究了化学剂量比和部分还原的TiO₂-(1×1)表面上金团簇的热稳定性．当金团簇尺寸相近时部分还原的TiO₂-(1×1)表面上金团簇要比化学剂量比的TiO₂-(1×1)面上金团簇稳定;在相同的表面上尺寸大的金团簇要比尺寸小的金团簇稳定．