材料表面科學(xué)

前言

由于航天、信息、能源、環(huán)境、化工與機(jī)械等技術(shù)學(xué)科發(fā)展的巨大推動(dòng)，固體理論和結(jié)構(gòu)化學(xué)的逐步成熟，以及表面分析譜儀的廣泛應(yīng)用，自20世紀(jì)60年代末，人們從理論和實(shí)踐兩方面越來越清楚地認(rèn)識(shí)到，材料表面和體相具有不同的結(jié)構(gòu)特征，因而具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。工程技術(shù)中，利用表面特殊的光電發(fā)射和吸收規(guī)律，研發(fā)大量的新型光電器件；利用表面特別的化學(xué)吸附和反應(yīng)能力，促進(jìn)了材料、化工、能源和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上形成了一門幾乎覆蓋整個(gè)技術(shù)學(xué)科的邊緣學(xué)科——表面科學(xué)（stirface science）。表面科學(xué)的基本內(nèi)容是在原子分子水平上研究材料表面的原子幾何排列、表面化學(xué)組成及電子結(jié)構(gòu)特性，研究表面上所發(fā)生的各種物理化學(xué)現(xiàn)象、規(guī)律及其在現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。由于表面科學(xué)所涉及的內(nèi)容太廣，從事表面科學(xué)研究的人員大多來自不同的學(xué)科領(lǐng)域，因此，學(xué)術(shù)界往往根據(jù)所強(qiáng)調(diào)的學(xué)科重點(diǎn)和個(gè)人的研究經(jīng)歷，在編寫書籍時(shí)常采用不同的標(biāo)題或名稱，如《表面物理》、《表面化學(xué)》、《表面化學(xué)物理》、《表面物理化學(xué)》、《半導(dǎo)體表面物理》、《催化材料表面》、《二維化學(xué)》及《實(shí)用表面分析》等。這些書籍內(nèi)容都含有各位專家的學(xué)術(shù)特長?；趯@些書籍與大量研究報(bào)告內(nèi)容的分析，結(jié)合多年的科研與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者把技術(shù)學(xué)科群中普遍的表面問題概括為氣－固、固－固界面，和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下固－固接觸界面三類，并分章討論其中的共同基礎(chǔ)知識(shí)（原子幾何、表面原子遷移擴(kuò)散以及表面電子結(jié)構(gòu)）和最通用的表征技術(shù)（低能電子衍射LEEl）、掃描俄歇微探針SAM、X射線光電子譜XPS和靜態(tài)次級(jí)離子質(zhì)譜SSIMS）。介紹表面分析技術(shù)時(shí)，重點(diǎn)討論粒子束與固體表面相互作用過程及所產(chǎn)生的信息價(jià)值，強(qiáng)調(diào)物理概念。聯(lián)系筆者在三大技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的研究課題，最后形成本書的基本內(nèi)容。材料科學(xué)發(fā)展的水平，是一個(gè)國家技術(shù)科學(xué)發(fā)展的標(biāo)志。今天，在各技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)從事教學(xué)、科研及制造業(yè)的廣大教師、研究人員和工程師都認(rèn)識(shí)到，材料和器件的宏觀性能、可靠性及壽命，往往取決于它們的表面結(jié)構(gòu)而不是材料的體相。尤其是人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)實(shí)際工作環(huán)境下的材料表面與原始設(shè)計(jì)在相結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和電子結(jié)構(gòu)等方面明顯不同，因而又引出許多新的材料表面問題。

內(nèi)容概要

　　《材料表面科學(xué)（第2版）》從原子、分子水平闡述表面結(jié)構(gòu)，討論材料表面物理、化學(xué)現(xiàn)象以及對技術(shù)學(xué)科發(fā)展的影響，強(qiáng)調(diào)基本概念。重點(diǎn)討論表面原子遷移擴(kuò)散、表面電子結(jié)構(gòu)及表面原子幾何排列這三個(gè)基礎(chǔ)內(nèi)容；把工程中各種表面現(xiàn)象概括為三個(gè)主要類型，分別討論了以吸附、催化為代表的氣-固界面，半導(dǎo)體和光電器件中的固-固界面以及以摩擦為代表的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下接觸界面。同時(shí)，分別介紹了幾種最常用的表面分析技術(shù)，包括測定表面原子幾何的低能電子衍射（LEED） ，測定表面元素組成的俄歇電子譜（AES） ，鑒別表面元素化學(xué)態(tài)的X射線光電子譜（XPS） ，以及獲取表面分子結(jié)構(gòu)信息的靜態(tài)次級(jí)離子質(zhì)譜（SSIMS） 。介紹這些表面分析技術(shù)時(shí)，重點(diǎn)討論粒子束與表面相互作用，表面元激發(fā)過程及其在表面結(jié)構(gòu)表征中的信息內(nèi)容，為識(shí)譜和分析、理解表面物理、化學(xué)問題奠定基礎(chǔ)?！　　恫牧媳砻婵茖W(xué)（第2版）》可作為物理化學(xué)、材料、半導(dǎo)體、催化、摩擦學(xué)、光電器件及微納米機(jī)械等專業(yè)高年級(jí)本科生及研究生教材；對于航天、信息、能源、環(huán)境、化工及機(jī)械等技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)從事材料表面科學(xué)研究的教師、研究人員及工程技術(shù)人員，《材料表面科學(xué)（第2版）》也有很好的參考價(jià)值。

書籍目錄

第1章 引論1.1 材料表面1.1.1 表面的定義1.1.2 材料表面的基本特性1.2 技術(shù)學(xué)科群中的材料表面1.2.1 經(jīng)典熱電離發(fā)射1.2.2 化學(xué)工業(yè)中催化材料表面1.2.3 信息學(xué)科中的半導(dǎo)體表面1.2.4 薄膜材料表面與界面1.2.5 機(jī)械學(xué)科中的摩擦表面1.2.6 能源和環(huán)境中的材料表面1.3 本書主題內(nèi)容1.3.1 材料表面特性的研究主題1.3.2 材料表面問題實(shí)驗(yàn)研究方法簡評1.4 材料表面科學(xué)的形成與發(fā)展1.4.1 Langmuir的貢獻(xiàn)1.4.2 材料表面科學(xué)形成的背景1.4.3 材料表面科學(xué)未來的發(fā)展空間參考文獻(xiàn)第2章 材料表面原子遷移擴(kuò)散2.1 材料表面穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和原子遷移擴(kuò)散2.1.1 概述2.1.2 理想表面2.1.3 重構(gòu)表面2.1.4 表面偏析2.2 表面缺陷及擴(kuò)散機(jī)制2.2.1 表面缺陷與TLK模型2.2.2 表面原子擴(kuò)散機(jī)制2.2.3 隨機(jī)行走模型實(shí)驗(yàn)證明2.2.4 W(110)晶面3d金屬表面集合擴(kuò)散SAM分析2.3 原子遷移與擴(kuò)散推動(dòng)力2.3.1 經(jīng)典濃差擴(kuò)散2.3.2 表面電遷移2.3.3 電遷移過程中的界面交換反應(yīng)參考文獻(xiàn)第3章 材料表面電子結(jié)構(gòu)3.1 概述3.1.1 從原子軌道分裂能級(jí)到固體能帶3.1.2 三維晶體電子結(jié)構(gòu)和Bloch波函數(shù)3.1.3 Tamm對表面電子結(jié)構(gòu)的理論證明3.1.4 表面態(tài)的定性理解3.1.5 費(fèi)米能EF及費(fèi)米分布函數(shù)F(E)3.1.6 狀態(tài)密度3.2 金屬表面電子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)3.2.1 表面附近電荷密度分布3.2.2 逸出功3.3 半導(dǎo)體表面電子結(jié)構(gòu)3.3.1 表面附近的電子能級(jí)關(guān)系3.3.2 費(fèi)米能和逸出功3.3.3 費(fèi)米能級(jí)的動(dòng)態(tài)變化及釘扎3.3.4 空間電荷層3.4 金屬氧化物表面電子結(jié)構(gòu)3.4.1 過渡金屬前金屬化合物3.4.2 過渡金屬后金屬化合物3.4.3 過渡金屬氧化物表面電子結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)第4章 表面原子幾何結(jié)構(gòu)及其測定——二維結(jié)晶學(xué)及低能電子衍射4.1 二維結(jié)晶學(xué)4.1.1 理想晶面4.1.2 二維結(jié)晶學(xué)研究內(nèi)容4.1.3 二維Bravais格子4.1.4 四個(gè)晶系4.1.5 二維(表面)結(jié)構(gòu)表示4.1.6 臺(tái)階表面結(jié)構(gòu)表示4.2 二維倒易點(diǎn)陣4.2.1 基本概念4.2.2 正、倒格子的幾何關(guān)系4.2.3 實(shí)空間和倒易空間Bravais格子4.3 表面結(jié)構(gòu)測定4.3.1 低能電子衍射4.3.2 衍射方程4.3.3 Eward球4.3.4 正、倒格子相互表示4.3.5 吸附層結(jié)構(gòu)測定實(shí)例4.3.6 吸附層原子幾何結(jié)構(gòu)4.3.7 孤立的吸附原子或分子4.3.8 LEED衍射圖的實(shí)用價(jià)值4.4 衍射電子束強(qiáng)度測量和LEED定量分析4.4.1 I-V曲線4.4.2 實(shí)驗(yàn)技術(shù)4.4.3 計(jì)算程序4.4.4 LEED定量分析應(yīng)用及限制參考文獻(xiàn)第5章 表面化學(xué)元素組成的測定——俄歇電子譜5.1 引言5.1.1 電子束與固體表面相互作用,俄歇效應(yīng)5.1.2 俄歇電子譜儀的形成5.1.3 俄歇譜的特點(diǎn)5.1.4 俄歇電子譜儀的發(fā)展5.2 俄歇電子譜工作原理5.2.1 俄歇躍遷及俄歇電子發(fā)射5.2.2 兩種退激發(fā)機(jī)制5.2.3 俄歇躍遷命名及分類5.2.4 俄歇電子產(chǎn)額5.3 俄歇電子動(dòng)能及元素定性分析5.3.1 理論計(jì)算5.3.2 經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式5.3.3 AES定性分析5.4 AES定量分析及有關(guān)參數(shù)5.4.1 電離截面5.4.2 非彈性散射及AES分析深度5.4.3 逃逸深度及相關(guān)概念5.4.4 AL和IMFP的定量計(jì)算5.4.5 背散射電子的影響5.4.6 俄歇靈敏度因子及定量分析5.5 俄歇電子譜儀的工作模式及其信息內(nèi)容5.5.1 掃描俄歇微探針5.5.2 一般測定模式5.5.3 點(diǎn)分析5.5.4 線掃描5.5.5 俄歇圖5.5.6 深度剖析5.6 俄歇化學(xué)位移及線形分析5.6.1 AES譜峰能量位移5.6.2 俄歇線形分析參考文獻(xiàn)第6章 表面元素組成及其化學(xué)態(tài)表征——X射線光電子譜6.1 概述6.2 X射線光電子譜儀及其發(fā)展6.2.1 X射線源6.2.2 能量分析器6.2.3 檢測器6.2.4 能量基準(zhǔn)6.2.5 荷電效應(yīng)6.2.6 成像XPS6.3 X射線光電子譜基本原理6.3.1 電子的能級(jí)特性和光電發(fā)射定律6.3.2 光電子發(fā)射過程中的相互作用6.3.3 構(gòu)成XPS譜的基本物理因素6.4 初態(tài)效應(yīng)和化學(xué)位移6.4.1 化學(xué)位移6.4.2 不均勻本底XPS譜峰展寬6.4.3 化學(xué)位移的復(fù)雜性6.5 終態(tài)效應(yīng)及其伴峰6.5.1 終態(tài)效應(yīng)的起源6.5.2 多重分裂6.5.3 震激與震離6.5.4 等離子激元和能量損失譜6.5.5 俄歇伴峰及XAES信息價(jià)值6.6 AD-XPS表面分析技術(shù)6.6.1 AD-XPS工作原理6.6.2 AD-XPS深度剖析,最大熵法6.6.3 AD-XPS技術(shù)與薄膜厚度測量6.7 XPS價(jià)帶譜6.7.1 金屬氧化物電子結(jié)構(gòu)6.7.2 聚合物XPS價(jià)帶譜6.8 XPS定量分析及相關(guān)問題6.8.1 定量分析基本方程6.8.2 相對靈敏度因子法6.8.3 背底扣除和強(qiáng)度測定6.9 譜峰擬合及峰形分析參考文獻(xiàn)第7章 材料表面分子結(jié)構(gòu)表征——靜態(tài)次級(jí)離子質(zhì)譜7.1 離子束和固體表面作用概述7.2 濺射過程及其產(chǎn)額7.2.1 SIMS基本方程7.2.2 純元素固體的濺射過程7.2.3 化合物中串級(jí)碰撞7.2.4 濺射粒子的電離及基體效應(yīng)7.2.5 分子材料次級(jí)離子的形成機(jī)制7.2.6 濺射原子和分子電離過程補(bǔ)充說明7.3 靜態(tài)次級(jí)離子質(zhì)譜7.3.1 SSIMS的特點(diǎn)7.3.2 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)次級(jí)離子質(zhì)譜對比7.4 ToF-SIMS譜儀7.4.1 儀器結(jié)構(gòu)7.4.2 ToF-SIMS離子源7.4.3 ToF-SIMS質(zhì)量分析器7.4.4 電荷補(bǔ)償7.4.5 ToF-SIMS成像7.4.6 激光后電離ToF-SIMS7.5 ToF-SIMS信息內(nèi)容7.5.1 元素識(shí)別7.5.2 硅片表面污染物檢測7.5.3 聚合物和有機(jī)膜表面分析7.5.4 無機(jī)化合物分析7.5.5 深度剖析7.5.6 成像分析7.6 SSIMS定量分析7.6.1 相對靈敏度因子法7.6.2 聚合物表面定量表征參考文獻(xiàn)第8章 材料表面氣體吸附與反應(yīng)8.1 金屬表面氣體吸附與反應(yīng)8.1.1 概述8.1.2 從單晶表面到實(shí)用催化劑8.1.3 負(fù)載模型催化劑8.1.4 金屬表面CO化學(xué)吸附8.1.5 表面改性對CO化學(xué)吸附的影響8.1.6 CO化學(xué)吸附位置及XPS分析8.1.7 不等價(jià)原子吸附時(shí)化學(xué)位移8.1.8 分子取向及吸附誘導(dǎo)化學(xué)位移8.2 強(qiáng)金屬載體相互作用8.3 負(fù)載原子簇物理化學(xué)特性8.3.1 引言8.3.2 負(fù)載銠（Rh）原子簇CO解離8.3.3 負(fù)載金（Au）原子簇的催化活性8.3.4 負(fù)載金屬原子簇的電子結(jié)構(gòu)8.4 化學(xué)傳感材料表面氣體吸附8.4.1 氣敏化學(xué)傳感器的工作原理8.4.2 納米SnO2薄膜結(jié)構(gòu)特征參考文獻(xiàn)第9章 異質(zhì)薄膜材料界面9.1 異質(zhì)薄膜材料界面的主要論題9.2 金屬-半導(dǎo)體接觸界面9.2.1 鏡像力作用9.2.2 Schottky接觸有效勢壘高度9.2.3 Schottky接觸界面橫向不均勻性9.2.4 金屬誘導(dǎo)帶隙態(tài)（MIGS）和電負(fù)性9.2.5 溫度.壓力對勢壘高度的影響9.3 異質(zhì)界面擴(kuò)散反應(yīng)動(dòng)力學(xué)9.3.1 異質(zhì)界面擴(kuò)散反應(yīng)研究的難點(diǎn)9.3.2 Ti/Si界面擴(kuò)散反應(yīng)動(dòng)力學(xué)9.4 納米級(jí)埋藏界面化學(xué)結(jié)構(gòu)表征9.4.1 SiO2/Si界面化學(xué)結(jié)構(gòu)9.4.2 10nmNON薄膜結(jié)構(gòu)9.4.3 計(jì)算機(jī)硬盤表面化學(xué)結(jié)構(gòu)分析9.4.4 埋藏界面結(jié)構(gòu)缺陷及污染物分析9.5 有機(jī)光電子材料和器件中的界面問題9.5.1 幾個(gè)基本概念9.5.2 界面電子結(jié)構(gòu)表征9.5.3 OLED有機(jī)物-金屬界面9.5.4 PLED聚合物-金屬界面9.5.5 陽極界面物理和化學(xué)問題9.6 生物有機(jī)材料界面參考文獻(xiàn)第10章 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的接觸界面——摩擦過程界面物理化學(xué)10.1 概述10.2 接觸表面形態(tài)和磨損機(jī)制10.2.1 金屬磨損表面形態(tài)10.2.2 陶瓷磨損表面形態(tài)特征10.2.3 聚合物磨損表面形態(tài)特征10.3 固體潤滑界面結(jié)構(gòu)10.3.1 固體潤滑材料10.3.2 固體潤滑涂層的狀態(tài)變化10.3.3 固體潤滑膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)10.3.4 混合潤滑劑中的固體潤滑劑10.4 摩擦界面化學(xué)10.4.1 摩擦表面上反應(yīng)物的激活方式10.4.2 ZDDP摩擦反應(yīng)10.4.3 ZDDP摩擦反應(yīng)膜結(jié)構(gòu)表征10.4.4 ZDDP摩擦膜化學(xué)結(jié)構(gòu)細(xì)析10.4.5 極壓狀態(tài)下的接觸界面10.5 納米材料和器件摩擦化學(xué)特點(diǎn)10.5.1 體系特征10.5.2 保護(hù)層材料特性及摩擦化學(xué)分析10.5.3 納米潤滑、耐磨涂層分子設(shè)計(jì)10.5.4 自組裝單層潤滑膜10.6 生物體內(nèi)的動(dòng)態(tài)接觸界面參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：1.2.6 能源和環(huán)境中的材料表面現(xiàn)代能源的開發(fā)必須考慮對人類生存環(huán)境的影響，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，這不僅是科學(xué)工作者在研發(fā)新型能源時(shí)應(yīng)當(dāng)思考的問題，也是各國政府制定能源發(fā)展策略和優(yōu)先批準(zhǔn)列項(xiàng)的前提。當(dāng)前比較突出的研究課題有汽車尾氣催化轉(zhuǎn)化、太陽能的光熱和光電轉(zhuǎn)換及新型能源燃料電池等。在這些領(lǐng)域，同樣存在許多材料表面物理化學(xué)的研究課題。早在20世紀(jì)70年代中期，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家就已充分認(rèn)識(shí)到表面科學(xué)對現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的深遠(yuǎn)影響。1975年，在北大西洋公約組織（NATO）物理年會(huì)上，以斯坦福大學(xué)Boudart教授為代表的一批西方學(xué)者，對開展表面科學(xué)研究的戰(zhàn)略意義提出了卓越的見解。他們認(rèn)為，西方工業(yè)國家要想在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域繼續(xù)保持領(lǐng)先地位，必須十分重視表面科學(xué)研究，要著重研究并解決材料表面的物理和化學(xué)問題。在過去30多年內(nèi)，世界范圍內(nèi)工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的輝煌成果，特別是微電子領(lǐng)域的巨大發(fā)展，充分證明了材料表面科學(xué)對現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的巨大貢獻(xiàn)。以已故謝希德教授為代表的中國科學(xué)工作者，在20世紀(jì)70年代，已注意表面科學(xué)的教學(xué)與研究。80年代初，謝希德教授在復(fù)旦大學(xué)組織了表面物理討論班。與此同時(shí)，中國科學(xué)院王宏力教授在北京組織了表面化學(xué)學(xué)習(xí)班。中國物理和真空學(xué)會(huì)等單位，還特別邀請了當(dāng)時(shí)美國真空學(xué)會(huì)主席Palmberg博士來我國普及表面分析技術(shù)。通過這些活動(dòng)及選派學(xué)者出國進(jìn)修為我國表面物理、表面化學(xué)的研究以及表面分析技術(shù)的發(fā)展培養(yǎng)了人才，為表面科學(xué)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。隨著科研和教育水平的提高、現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)際上，在我國相關(guān)技術(shù)學(xué)科發(fā)展中，已經(jīng)形成了幾個(gè)突出的材料表面物理化學(xué)研究領(lǐng)域。按照現(xiàn)行“學(xué)科群”的概念，這里將它們概括為：信息學(xué)科群中的“半導(dǎo)體表面”；能源和環(huán)境學(xué)科群中的“催化表面”和“電極表面”；材料學(xué)科群中的“薄膜表面和界面”；機(jī)械學(xué)科群中的“摩擦表面”；航天技術(shù)中的“真空表面”和國防工業(yè)中的“特種軍工技術(shù)表面”；以及納米科學(xué)與技術(shù)中的“納米表面”。1.3 本書主題內(nèi)容在過去30多年中，作為介紹表面科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和研究成果的總結(jié)，國內(nèi)外已陸續(xù)出版了不少優(yōu)秀論著?；谟嘘P(guān)作者的自身經(jīng)歷，這些著作內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)有所不同，因而他們的書籍取名也各有特色，如《材料表面物理》、《固體表面和界面》、《表面化學(xué)》、《表面物理化學(xué)》、《表面化學(xué)物理》、《金屬氧化物表面科學(xué)》、《表面電化學(xué)》、《低能電子衍射及表面化學(xué)》、《二維化學(xué)》、《半導(dǎo)體表面和界面》、《表面科學(xué)》及《實(shí)用表面分析》等。這些著作分別從不同學(xué)科討論并總結(jié)了表面科學(xué)的進(jìn)展與成就，各具特色，詳見本章參考文獻(xiàn)。

編輯推薦

《材料表面科學(xué)(第2版)》是由光華基金會(huì)資助出版的專著之一。

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