西安交通大学：《高电压绝缘专论》研究生课程教学资源（课件讲稿）03 固体的表面界面现象与相关理论

西安交通大学XIANJIAOTONGUNIVERSITY固体的表面和界面现象及相关理论西安交通大学电气工程学院先进高电压与等离子体技术研究中心1898

西安交通大学 电气工程学院 先进高电压与等离子体技术研究中心 固体的表面和界面现象 及相关理论

诺贝尔奖获得者泡利曾说过：上帝创造了固体，魔鬼创造了表面”-2-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -2- 诺贝尔奖获得者泡利曾说过： “上帝创造了固体，魔鬼创造了表面”

表面与表面物理学习惯上主要两种不同物质凝聚态的交界区称为表面(Surface)，用“表面”来描述固相-气相、固相-液相或液相-气相等交界区，而对于固相-固相的交界区常称为“界面(Interface或Boundary)"表面与界面物理学(或称为表面物理学)主要研究表面与界面区的物理现象，它是二十世纪七于年代在固体物理的基础上发展起来的一门新兴边缘学科，是表面科学的一个分支。固体物理主要研究固体（晶体）内部的物理现象，而表面物理以表面界面现象作为研究对象表面物理的研究内容包括微观理论和宏观理论两部分，一方面在原子、分子水平上运用经典理论和量子理论研究固体表面的组成、原子结构及输运现象、电子结构与运动及其对表面宏观性质的影响等；另一方面在宏观尺度上，从能量的角度研究一系列的表面现象，在实验的基础上建立相应的方程，-3-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -3- q 两种不同物质凝聚态的交界区称为表面(Surface)，习惯上主要 用“表面”来描述固相气相、固相液相或液相气相等交界 区，而对于固相固相的交界区常称为“界面(Interface或 Boundary)” 。 q 表面与界面物理学(或称为表面物理学)主要研究表面与界面区 的物理现象，它是二十世纪七十年代在固体物理的基础上发展 起来的一门新兴边缘学科，是表面科学的一个分支。固体物理 主要研究固体(晶体)内部的物理现象，而表面物理以表面界面 现象作为研究对象。 q 表面物理的研究内容包括微观理论和宏观理论两部分，一方面 在原子、分子水平上运用经典理论和量子理论研究固体表面的 组成、原子结构及输运现象、电子结构与运动及其对表面宏观 性质的影响等；另一方面在宏观尺度上，从能量的角度研究一 系列的表面现象，在实验的基础上建立相应的方程。 表面与表面物理学

固体的表面一《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -4- 一 、固体的表面

表面与表面能量调整从材料科学来讲，固体的性质绝不仅仅取决于其内部性质它的表面（界面）特性也是至关重要的在固体的表面处，由于存在晶格的突然断裂、分子的折叠化学键的断裂、离子位错以及极化移位等，固体的周期性势场发生突然中断或明显的畸变，如果在该处原子仍按照内部的规则方式排列，则势必增大固体材料的表面能，为此，表面附近原子的排列必须进行调整，以减小表面能使系统更稳定。调整的方式通常有两种自行调整如弛豫、重构等，这使表面处原子排列与(1)内部有明显不同；靠外来因素，如吸附杂质、生成新相等。(2)由此可见，固体的表面或表面层实际上是材料与外围环境经过“融合适应”达到动态平的一个过渡交界区。-5-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -5- 表面与表面能量调整 q 从材料科学来讲，固体的性质绝不仅仅取决于其内部性质， 它的表面(界面)特性也是至关重要的。 q 在固体的表面处，由于存在晶格的突然断裂、分子的折叠、 化学键的断裂、离子位错以及极化移位等，固体的周期性 势场发生突然中断或明显的畸变，如果在该处原子仍按照 内部的规则方式排列，则势必增大固体材料的表面能。 q 为此，表面附近原子的排列必须进行调整，以减小表面能， 使系统更稳定。调整的方式通常有两种： Ø (1) 自行调整，如弛豫、重构等，这使表面处原子排列与 内部有明显不同； Ø (2) 靠外来因素，如吸附杂质、生成新相等。 q 由此可见，固体的表面或表面层实际上是材料与外围环境 经过“融合适应”达到动态平衡的一个过渡交界区

10min(a)10μm(810nmtC图2-6一个经抛光后的金属表面的显微图形（a）波纹度，（b）表面粗糙度（）表面的宏观空洞和微孔结构-6-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -6-

表面重构表面分凝表机吸附CAB十BAABABBAA表面近衰面浅层体内图2-8由AB两种原子组成的固体表面附近的情况（为外来原子）《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -7-

表面态的概念表面调整的结果反映在材料组分上是表面层中的化学成分和化合态等的变化，反映在电子结构上则是产生了很多的电子附加状态，即表面态，它们与固体内部因存在缺陷而产生的体态一样，都起着载流子陷阱的作用，与载流子的注入、扩散和复合等很多电子过程以及材料的发光等现象密切相关第一种调整产生本征表面态，如在锗的原子级清洁表面上的表面态密度大约为1011~1012/cm2。第二种调整构成各种非本征表面态，其中靠近固体表面的几层吸附是通过与未饱和的离子键或共价键结合而吸附的，属于化学吸附；而靠外的几层属于通过VanderWaals力的物理吸附，其束缚力较前者要弱。I以能带理论分析，表面态和体态的能量水平处于固体的禁带范围内自前对固体材料表面层的认识因研究领域的不同而有很大差异，一般认为其厚度在纳米至微米数量级-8-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -8- 表面态的概念 q 表面调整的结果反映在材料组分上是表面层中的化学成分和 化合态等的变化，反映在电子结构上则是产生了很多的电子 附加状态，即表面态，它们与固体内部因存在缺陷而产生的 体态一样，都起着载流子陷阱的作用，与载流子的注入、扩 散和复合等很多电子过程以及材料的发光等现象密切相关。 q 第一种调整产生本征表面态，如在锗的原子级清洁表面上的 表面态密度大约为10 11~10 12 /cm2 。第二种调整构成各种非本 征表面态，其中靠近固体表面的几层吸附是通过与未饱和的 离子键或共价键结合而吸附的，属于化学吸附；而靠外的几 层属于通过Van der Waals力的物理吸附，其束缚力较前者 要弱。以能带理论分析，表面态和体态的能量水平处于固体 的禁带范围内。 q 目前对固体材料表面层的认识因研究领域的不同而有很大差 异，一般认为其厚度在纳米至微米数量级

表层之体内N表层00l-xsd xXs试品表面态和体态密度分布的示意图(b）沿试品表面方向(a）垂直于试品表面方向-9-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -9- Nt Nt 0 xs l-xs l z 0 d x 体 内 表 层 表 层 试品表面态和体态密度分布的示意图 (a) 垂直于试品表面方向 (b) 沿试品表面方向

二、固体的界面-10-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -10- 二、固体的界面