【{‘担保 信息’}】表面晶体学

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[拼音]:biaomian jingtixue

[英文]:surface crystallography

晶体学的一个新分支,它用低能电子衍射等表面分析方法研究晶体表面的原子组成和原子排列的几何结构。晶体表面涉及晶体最外部几个原子层,一般为三层到五层,也可以包括外来原子或分子所组成的吸附层。这些原子层在几何结构和电子结构方面可以与晶体内部有很大差异。但在实验上要得到纯净的表面并不容易,因为晶体表面有很高的表面能,根据分子动力学计算,一般在10-6讬真空条件下,一秒钟就能吸附上一层气体。所以要做表面晶体学的研究,首先要制备清洁的晶体表面,并在实验过程中保持表面清洁。这样的清洁表面必须在10-10~10-11讬超高真空条件下才能实现。20世纪60年代超高真空技术问题得到很好的解决,同时电子检测技术也有突飞猛进的发展,在这些基础上各种表面分析技术得以蓬勃发展,俄歇电子能谱、低能电子衍射、场致离子显微镜等表面测定技术日臻完善,有可能得到大量在原子水平上的晶体表面结构资讯。

晶体表面的不规则性

晶体表面从原子水平上看是不很规则的,也是不平整的。表面上存在几种不同的位置(见图),

这些位置可以用最近邻数来划分,它们分别为平台、台阶、扭折位、附加原子以及平台空位等。它们的最近邻数按大小顺序为平台>台阶>扭折位>附加原子(平台空位)。在真实表面上,平台、台阶、扭折位都具有很大的平衡浓度。附加原子和平台空位虽然平衡浓度很小,一般远小于0.01单层,但它们对表面原子沿著表面的迁移起很大作用。不同的晶体各种表面位置的平衡浓度有所不同,同一晶体的各种不同晶面的平衡浓度也有所不同。低晶面指标的面的原子密度大,表面自由能小,因而表面不规则位置的浓度也小。高晶面指标的面本身原子密度小,表面不规则位置的浓度大。处在不同表面位置(最近邻数不同)的表面原子,在化学反应中所起的作用也不一样。在铂单晶表面上研究H2+D2─→2HD反应时,实验发现,处在台阶位置上的铂原子对断裂H-H键是很有利的。

表面重建

所有固体(晶态和非晶态)的表面原子都会从他们原在体相中应占有的位置上发生位移,这种现象叫做表面重建。过去认为表面是体相的中止,表面结构是体相结构的延续。表面晶体学的研究表明,表面结构与体相结构迥然不同,表面发生了重建。最简单的表面重建是表面层原子排列情况不变,即表面原子的最近邻数不变,或者说表面原子的旋转对称性不变,而这一层原子作为一个整体沿垂直于表面的方向运动,改变表面原子层与下一原子层间的距离。通常观察到的是层间距离缩短;从理论上讲也可能是层间距离加大,但这种现象迄今尚未观测到。这种最简单的重建发生在许多金属表面上,有时把这种重建现象称为表面弛豫。表面的几何结构还可以发生大规模的重建。清洁半导体表面由于开放性结构而发生大规模重建,重建范围涉及晶体内几个原子层。表面原子为了寻找势能最低的新的平衡位置,不但键角改变而且表面原子的最近邻数和旋转对称性都有变化。在这种情况下,表面晶胞将不同于体相晶胞。重建后的表面结构可以在很大温度范围内维持同一个结构。温度变化时,有时也可以发生再重建。多组分固体还可以发生表面偏析,即表面原子组成可以与体相有很大差异,有的组分原子富集到表面上。多组分体系中,表面能低的组分易富集到表面上,金属表面常常富集著极不易清除的碳、硫、氧、矽、铝等杂质原子,就是一个例子,它们看来都是从体相偏析出来的。在各种不同的表面位置处,最近邻数愈小的位置偏析现象愈严重,表面上的台阶和扭折位最近邻数较少,因而在这些位置上偏析也较严重。合金表面偏析现象的研究对冶金学是至关重要的。

表面晶体学的研究还包括对表面吸附层的研究。它对表面的化学性质和力学性质都有影响。实验表明,吸附质被吸附到晶体表面上后,在某些情况下是排列有序的,而在另一些情况下则是排列无序的。这取决于晶体表面和吸附质的结构和实验条件。

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