1.4 表面原子结构对材料科学与工程的作用
功能薄膜的外延生长
•功能材料(光、电等)一般都各向异性；晶态时性能指标最佳； •薄膜器件和集成电路需要材料薄膜化；最理想是形成单晶薄
膜。
•在一种单晶表面上生长出单薄膜称为外延生长。表面上能否
生长成一层单晶薄膜极大地取决于表面晶面的晶格常数和缺陷。
第二节 实际表面
•结晶学上的概念和规则，二维格子中都适用。但由
于维数减少，相应的复杂性也减少，即点群(324)、 空间群数(230 16)和布拉伐格子(14 5)。
伍德标记法
• 当体内原子的排列，即衬底晶面晶格平移对称性可表示为
T=n1a1+n2a2
•表面晶格平移对称性为 Ts=n1'as1+n2'as2
•表面原子的排列是由原子内部排列转化而来，因此表面原子
热处理后的单晶表面。
•由于原子在体内部和在表面受到力不
同，则引起表面原子的排列与内部有 较为明显的差别。
•这种差异经过4～6层之后，原子的排
列与体内已相当接近，这个距离也可 以看作是实际清洁表面的范围。
1.1 描述清洁表面原子排列结构的符号
•表面原子的排列方式虽然与体内有差别, 但表面原子
仍作对称和周期性的排列，常看成是二维格子。
•表面弛豫后常会存在电矩(电偶极子)。
(2) 重构
•当表面原子排列作了较大幅度的调整，与衬底晶面原子的
平移对称性有明显不同，这种表面结构称重构。
•重构有两类情况：(a)表面晶面与体内完全不一样，称超晶
格或超结构。(表面原胞的尺寸大于体内，即晶格常数增大。
超结构示意图
金(110)表面(1 ×2)重构的高分辨电子显微像
几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图
(1) 弛豫
•表面区原子(或离子)间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞
结构基本不变, 这种情况称弛豫。
•离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，
这是一种长程作用。
•弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，一
般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对 称性发生了变化。
1.3 清洁表面的缺陷
从热力学上来分析，清洁表面必然存在有各种类型的表面缺陷。
(1) TLK表面模型 由LEED等表面分析结果证实，许多单晶体的表面实际上不是 原子级的平坦, 而是如图所示的情形。
台级
台级上的扭折
L- 台 级 ， T- 平 台 ， K- 台 级 处 的 扭 折 ， Suv-表面空位，SLv-台级处空位，SuA-表 面自吸附原子，SLA-台级处自吸附原子
•在材料实际应用过程中，材料表面是要经过一定加工处理
(切割、研磨、抛光等), 材料又在大气环境(也可能在低真空 或高温)下使用。材料可能是单晶、多晶、非晶体。这类材 料的表面称为实际表面。
•实际表面中主要关心的是nm~m级范围内原子排列所形成
表面结构特征。材料表面的微结构(组织)、化学成分、形貌、 不同形态(形状)材料表面的特点。
对于一些多晶材料、薄膜材料以及有孔的材料，它们形状 复杂, 除了外表面外还有内表面。一般采用粗糙系数R来表 示。
R = Ar/Ag
式中Ag 为几何表面， Ar 为实际表面。 Ar一般是通过吸附 试验按照吸附公式计算出来的。如果表面不平整, 而且有 孔， Ar就大, R也就大。
2.l 表面粗糙度
•衡量表面平整程度时，当波距小于1mm时，表面出现
的不平整性称为表面粗糙度。
不同尺寸下观察表面平整性
(1) 表面粗糙度定量值
• 当比较不同表面粗糙程度的大小时，需要有定量或测量粗
糙程度的方法。
•测量方法：选用一条轮廓中线(m), 中线是一条理想的线，
在此线上粗糙度为零。
(a) 轮廓算术平均偏差Ra. 在取样长度l内, 测量表面上一些点距中线m的距离y1, y2, …, yn, 取其绝对值的算术平均值。
的排列与内部有一定关联。
•一般来说a1，a2与as1, as2之间有一定的关系 as1 =pa1 as2=qa2
•如果as1和as2间的夹角同a1和a2的夹角一样，表面原子的排
列形式转过一个角度α，则伍德简式符号的表示为
R ( hkl ) a s1 a s2 D
a1
a2
•伍德简式符号的表示为：
y7
y1
y8
y2
y3 y4 y5
y6
yi
公式表示为：
R a
1 l
l 0
y dx
其近似表达式为
n
Ra
i 1
yi n
(b) 微观不平整十点高度Rz 在取样长度内, 从平行于中线的任何一条线起, 到被测量轮廓 的五个最高峰(yp1, yp2, ..., yp5)与五个最低谷(yv1, yv2, ..., yv5)平 均值之和
(2)点缺陷
在平台上可能存在各种点缺陷，最为普遍的就是吸附(或偏析) 的外来杂质原子。
由于有表面能，表面原子的活动能力较体内大, 形成点缺陷 的 能量小。因此表面上的热平衡点缺陷浓度远大于体内。
表面上的正负离子空位对、空位团簇、杂质空位对(团)也是一 种表面点缺陷。
(3)线缺陷
位错往往要在表面露头, 可以将它看作是直径为原子尺寸的一 根管道, 从体内通到表面。如果是螺位错, 则在表面形成一个小 台阶。
第一章 表面与界面的原子结构
第一节 清洁表面
•在实际条件下，材料表面受到各方面因素影响，从而
使表面在结构上、组成上发生改变。
•为了研究材料的本征表面特性，清洁表面才能用来进
行研究。
•清洁表面是相经过特殊处理(即保证组成上的确定性)
后，保持在超高真空下的表面(即保证表面不随时间而 改变)。
•一般清洁表面是指经离子轰击加退火
Ni(001) 2 2 45 S
1.2 清洁表面的原子排列
•由于表面排列突然发生中断，表面原子受力(化学键)情况发
生变化，总效应是增大体系的自由能。
•为了降低体系能量(减小表面能)，表面附近原子的排列必须
进行调整。
•调整的方式有两种：
(1)自行调整, 表面处原子排列与内部有明显不同； (2)靠外来因素, 如吸附杂质, 生成新相等。
yp1
yp1
yp3
ypi
yv1
yv2 yv3 yv4
yv5
yvi
5
5
/ y / pi / y / vi
R z i1
i1
5
(c) 轮廓最大高度Ry 在取样长度内，除去个别明显的偏离值之后，过最高峰 和最低谷，分别作平行于中线的平行线，这两条平行线 间的距离称轮廓最大高度，以Ry表示。
Ry
(2) 表面粗糙系数R