1、表面界面物理复习思考题讲解表面界面物理复习思考题原子间的键合方式及性能特点。原子的外层电子结构，晶体的能带结构。描述原子中一个电子的空间位置和能量：1）主量子数n；轨道角量子数l；磁量子数m；自旋量子数s；2）核外电子的排布规律三原则：能量最低原理；Pauli不相容原理；Hund规则。说明：1）晶体中，当N个原子聚在一起成晶体时，每个原子能级上将有2N个相同能量状态的电子（共有化电子），这是泡利不相容原理所不允许的，实际上，由于原子的相互作用，每个原子能级将分裂为一个有N个支能级的能带。2）能带表示电子允许占有的状态，能带间隙有禁带，其宽度通常用Eg表示。每一根能带中可以容纳的电子是有限制的（
2、最多为组成晶体原子数的2倍）。3）能带全部装满电子为满带，没有电子为空带，两者都不对导电作贡献；能带没有填满为未满带，其中电子在外电场作用下能改变状态，对导电作贡献。晶体（单晶体、多晶体）的基本概念，晶体与非晶体的区别。晶体：内部质点（原子、离子或分子）在三维空间呈周期重复排列的固体。单晶体：质点按同一取向排列。由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体。多晶体：由许多不同位向的小晶体（晶粒）所组成的晶体。多晶体一般显示出各向同性假等向性。固态物质按其原子（或分子）的聚集状态而分为两大类：晶体与非晶体空间点阵与晶胞、晶面指数、晶面间距的概念，原子的堆积方式和典型的晶体结构。空间点阵：呈周期性的规则排
3、列的阵点所形成的具有等同的周围环境的三维 阵列。晶胞：在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的结构单元，反映晶格特征的最小几何单元。晶面指数：代表一组平行的晶面。为了便于研究和表述不同晶面原子排列的情况及其在空间的位向，需要确定一种统一的表示方法来表示晶面，称为晶面指数。晶面间距：两近邻平行晶面间的垂直距离。晶体中原子堆积方式：1）面心立方结构是以其最密排面111每三层就重复堆积，按ABCABC的次序堆积起来的。2）密排六方结构也是一种密堆积，它的（001）面和面心立方111面具有相同的最紧密排列方式，（001）面每两层就重复堆垛，即（001）面按（ABABAB）的顺序堆垛，3）体心立方结构是以
4、其最密排面111每三层就重复堆积，按ABCABC的次序堆积起来的。4）简单立方结构是以其最密排面111每三层就重复堆积，按ABCABC的次序堆积起来的。典型的晶体结构：面心立方结构；体心立方结构；密排六方结构；简单立方。表面信息获取的主要方式及基本原理。表面信息的获取：用荷能的电子、离子、光子作“探针”，根椐入射粒子和出射粒子之间的类型转换、能量变化、粒子的分布等关系，可以获取表面的信息。基本原理：以荷能电子作探针，当电子与表面作用后，能从表面激发出电子、离子和光子。采用相应的仪器可测量这些激发粒子的能量分布和角度分布，然后推算出表面原子排列、成分、缺陷、原子价态等信息，这就是目前各类表面分析
5、的基本原理。为什么XPS可获得表面信息，而X射线衍射只能获得体信息？X射线与物质相互作用时，会发生一系列效应。其中，X射线从物质中激发出光电子被应用于XPS中，而X射线的相干散射被应用于X射线衍射中。XPS方法以X射线光电子的能量来鉴别化学元素，而X射线光电子在逸出的路上自由程很短，实际能探测的信息浓度只有表面几个至十几个原子层，因而XPS可获取表面信息。而X射线信号产生的深度和广度较大，同时有表面信号与体信号，体信号的强度远大于表面信号，所以只能获得体信息。利用光电子能谱（XPS）和俄歇电子能谱（Auger）进行表面分析的基本原理和应用范围。透射电子显微镜有哪几种工作模式，它们可获得材料的什
6、么信息。扫描电子显微镜的二次电子像和背反射电子像的成像原理。二次电子成像原理：二次电子的产额与入射电子束与样品表面法线的夹角有关，与cos成反比，入射电子强度一定的情况下，由二次电子的信息可得入射点处的形貌信息。入射电子束在样品上扫描，收集二次电子的信息，可得到样品的形貌图像。背反射电子成像原理：入射电子束打到样品上，存在一部分与入射电子能量相当的反射回来的电子，而且反射电子的强度与样品表面原子的序数有关，随原子序数的增大而缓慢提高，存在比例关系。入射电子束在样品上扫描，收集背反射电子的信息，可得到样品的成分衬度图像。说明电子束技术的基本特征，举出几种利用电子束的波动性和粒子性的分析技术。电子
7、束的基本特征：1）电子源容易获得。2）检测容易。3）电子对所有元素都有较强的相互作用，其散射几率比X射线大几个数量级。4）近代电子束的聚焦技术好，分辨率较高。5）电子束不会导致高真空环境的污染。利用电子的波动性的分析技术：1）透射电子显微镜（TEM）。2）低能电子衍射（LEED）。3）高能电子衍射（HEED）利用电子的粒子性的分析技术：1）紫外光电子能谱（UPS）。2）俄歇电子谱（AES）。3）X射线光电子能谱（XPS）。4）扫描电子显微镜（SEM）。什么是电子结合能的位移？价带能态密度可采用什么方法测试，简述其原理。电子结合能位移：原子内壳层电子的结合能受到核内、外电荷分布的影响。任何引起这
8、些电荷分布发生变化的因素，都可能使原子内壳层电子的结合能产生变化，在光电子能谱图上可以看到光电子谱峰的位移，这种现象称为电子结合能位移。价带能态密度可用XPS测试。固体价带中的电子状态的能量分布由能态密度来表示，某一能量X射线光电子的数量与对应能量的表面能态密度成正比，当入射光子能量大于21eV时，光电子发射谱的能量分布可以看作是价带能态密度分布。表面的定义。什么是清洁表面和实际表面？表面：两种不同相的交界区域称为表面。通常指凝聚相与气相、液相的界面，不是几何意义上的平面，具有一定的过度区。清洁表面：清洁表面是指反映材料本征特性的表面。它应当是在经腐蚀、解理、离子刻蚀等处理，除去吸附层、氧化层
9、、表面损伤层后的表面。只能在高真空环境下依存的表面。实际表面：经过一定处理后，保存在通常环境下的固体表面。理想表面：将一无限大的晶体分成两部分所形成的表面。表面的原子排列与体内完全一致，这就是通常物理学、化学学所讨论的“表面”。什么是表面的TLK模型？表面缺陷产生的原因是什么？表面不是原子级的平坦，上面有平台（Terrace），台阶（Ledge）和扭曲（Kink），这种方式描述表面，称为TLK模型。表面缺陷产生的原因：由热力学定律，温度高于绝对零度（0K）时，所有物理系统的熵（S）都不为零。系统的自由能（F）与内能（U）、熵（S）和绝对温度（T）关系为：F=U-TS。系统稳定的条件是自由能最小
10、。有两种情况：1，当内能U减小时，即原子排列整齐；2，当熵S增大时，既系统混乱度增加，原子排列混乱；特别是在温度较高时，S的影响更大。什么是表面弛豫和表面重构？画出表面弛豫和表面重构的原子排列图。理想晶体表面具有二维周期性，其单位网格由基矢决定。由于表面原子受力的情况与体内不同，或由于有外来原子的吸附，最表面层原子常会有垂直于或倾斜于表面的位移，表面以下的数层原子也会有垂直或倾斜于表面的位移，这种现象为表面重构。如果表面原子只有垂直于表面的运动，则称为表面弛豫。为什么表面原子排列与体内不同，请比较重构与驰豫的异同，并解释Si（111）21重构的成因。由于表面处原子排列突然中断，如果在该处原子仍
11、按照内部方式排列，则势必会增加系统的自由能。因此，表面附近的原子排列就会进行调整，以减小其表面能，使系统稳定。重构与弛豫的异同：相同点：都是为了降低表面能，表面层原子排列情况的变化。不同点：对于驰豫，表面原子只有垂直于表面的运动；对于重构，表面原子有垂直或倾斜于表面的位移Si（111）21重构的成因：纳米材料有哪些效应？1）小尺寸效应：当纳米材料结构单元的尺寸与光波波长，德布罗意波长，以及超导体的相干长度，穿透深度等物理特征尺度相当时，其内部晶体周期性边界条件将被破坏。导致特征光谱移动，磁序改变，超导相破坏，结构发生非热力学结构相变等。2）量子尺度效应：当纳米材料结构单元某一位上的尺寸下降到某
12、个值时候，费米面附近的电子能量谱由准连续到离散，表面结构和电子态急剧变化，能隙变宽，处于分享的量子化能级中的电子波动使其产生一系列反常。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。3）表面效应：指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。4）宏观量子隧道效应：纳米材料中发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应。5）库仑堵塞效应：纳米体系的
13、充放电时，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输。6）介电限域效应：由纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象说明表面张力和表面自由能分别用于什么情况。解释表面吸附对表面自由能的影响。如何测试材料的表面自由能，简述其基本原理。对于液体来说，表面张力等于表面自由能，而对于固体来说，表面张力取决于在表面的方向和表面的确切的晶体结构。因此，表面张力用于涉及到液相的表面，而对于涉及到固相时，采用表面自由能。晶体的自由表面虽然由于原子弛豫、表面重构等效应，使断键饱和，但仍处于高能状态。将通过吸附等效应进一步降低表面能。对于高表面能的物质（如金属等），表面活性物质对表面能的影响较大。一
14、般低表面能物质吸附在高表面能物质表面，将显著降低其表面能；而高表面能物质吸附在低表面能物质表面，则对表面能影响不大，因为这种情况下，表面的吸附浓度较低。表面自由能表测试方法：1）结合能：测量分开两个相同的接触到无限分离所需要的能量，由关系：Wc=2（其中就是表面能），范德堡方法，,得（其中A11为Hamaker常量；H0的值在液体原子间的表面约为0.165nm，在因体原子之间在表面处是0.3nm）2）通过液体与固体表面的接触角：由关系Cos=1-(l-c)其中:为接触角；为0.030.04；l为液体表面张力；c为特定表面张力测试不同l液体的接触角作曲线，外推到=0度，可到的c值什么是晶体材料的
15、易生长晶面，它与什么因素有关？NaCl为简立方晶体，它的易生长晶面是什么？晶体材料的易生长晶面是指晶体表面张力大，生长速度相对最大晶面。易生长晶面与晶体材料表面的取向（即晶面的类型）有关。而晶体生长速度的几种主要的外部因素：涡流，温度，杂质，粘度，结晶速度。NaCl简单立方晶体易生长面；由Wulff定律，晶体（111）晶面表面张力最大，自由能最小，对外来原子的引力最大，生长速度最快，为晶体的易长晶面。分析过程：（100）晶面的网面上结点密度最大，网面间距也最大，网面对外来质点的引力小，生长速度慢，晶面横向扩展，最终保留在晶体上；（110）晶面次之；（111）晶面的网面上结点密度最小，网面间距也
16、就小，网面对外来质点引力大，生长速度最快，横向逐渐缩小以致晶面最终消失。表面态的产生原因和种类，它对材料性能有何影响？（1）表面态是由于表面原子排列的中断或畸变而产生在表面区的一些附加的、在体内不可能存在的一些能级或能带，有Tamm态和Shockley态。（2）表面态产生的原因：原子在表面周期性排列的改变，缺陷，吸附外来原子，晶格失配，应力畸变，污染等。（3）表面态对材料的老化，器件的性能和可靠性等会产生重要影响，特别是当器件尺寸越来越小，表面占据的比例就越来越大。具体表现如下：空间电荷，表面电导，少数载流子的寿命与复合，金属半导体的接触势垒形状与高度，异质结的势垒形状与高度。形成空间电荷区的
17、原因和表面空间电荷区的类型。1)形成空间电荷区的原因：表面空间电荷区的形成主要是由于表面存在表面电场，而表面电场产生的原因如下：a，表面态的影响：由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了垂直于表面的电场。表面费米能级EFS，体费米能级EF，EFSEF，这样表面与体内将发生电子（空穴）的交换，产生空间电荷区。b，功函数的差异：WSWm，于是有EFSEFm，形成金半电场；同理，如果，WSWm，于是有EFSEFm，形成半金电场c，氧化层中的杂质离子。d，外加偏压。2）类型：P型半导体：a，VG0,VS0时，能带上弯，多子耗尽；d，VG0时，反型，少子堆积。N型半导体：a，VG0,VS0时，多子
18、堆积；b，VG=0,VS=0时，平带c，VG0,VS0时，多子耗尽；d，VG0,VS0，能带下弯，表面多子堆积；（2）VG=0,VS=0，平带；（3）VG0,VS0，能带上弯，多子耗尽；（4）VGWs，形成表面势垒。在势垒区，空间电荷主要由电场作用形成，电子浓度比体内小的多，是一个高阻区域，称之为阻挡层（肖特基势垒）。若Wm0使能带下弯曲，这里的电子浓度比体内的大多了，是一个高电导区，即欧姆接触区。当与P型半导体接触时，若WmWs形成欧姆接触。实际情况：由于表面态浓度比较大，最终使EF向(EF)s靠近，这就是表面费米能级的钉扎作用。实际接触的势垒高度由界面态势垒决定，对于许多半导体材料，它们位
19、于禁带宽度1/3处，这个界面态势垒始终存在，这就是导致实际和理论上的差别的根本原因。试分析多晶ZnO材料中具有双向整流效应的I-V特性曲线与界面电子结构的关系。由于氧化锌晶界区存在晶界相，所以它的晶界区势垒较厚；在低偏压时，势垒随电压变化小，电导的主要形式是热电子发射，隧道效应很弱。随着电压增加，出现弱反型；当电压超过某一个值后，能带弯曲很大，出现强反型。表面区空穴浓度很高，通过复合中心传导电流，界面态上的电子会通过隧道效应道进入右边，所以电流迅速增大。多晶ZnO材料中“ZnO晶粒-晶界-ZnO晶粒”可视为对称的结构，即双向的I-V曲线对称。什么是表面吸附与偏析？吸附：吸附属于一种传质过程，当
20、流体与固体接触时，由于受到固体表面的不饱和力场的作用，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄，使物质在表面外的浓度增大，此现象称为吸附。也指物质（主要是固体物质）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子现象。偏析：指液相或固溶体中的原子（分子）在固-固、固-液界面上富集，即液相或固溶体中质原子在界面上的浓度大于其基相。比较化学吸附与物理吸附，并画出它们的吸附能曲线；什么是快化学吸附和慢化学吸附？ 物理吸附与化学吸附的比较能量曲线：吸附速度：EB0,需要激活，活化化学吸附（慢化学吸附）EB0,不需要激活，非活化化学吸附（快化学吸附）请解释第IV型吸附等温线。1)低压下上凸表明吸附物质和
21、吸附剂有相当强的亲和力，并且也易确定像在类等温线B点的位置（相当于盖满单分子层时的饱和吸附量）2)压力的增加，又由多层吸附逐渐产生毛细管凝结，吸附量剧增3)最后又由于毛细孔中均装满吸附物，吸附量不再增加，等温线又平缓起来N型半导体表面吸附氧后它的表面电导和表面能带如何变化？N型半导体表面，随温度升高，先是导致电子浓度增加，电阻下降；后来晶粒表面吸附氧，使得物理吸附变为化学吸附，（一个氧气分子加2个电子两个负2价氧离子）载流子数目减小，电阻上升（电导下降），表面由于多子堆积，变成耗尽层。水在N型半导体表面吸附后对电导和能带会发生哪些影响？N型半导体吸附水气之后，氢从导带中抽出电子，表面形成耗尽层
22、，故材料的电阻率增加。N型半导体吸附水气后，势垒增高，电阻增大，直到成为强反型层；由于强反型层内有自由载流子空穴的存在，所以材料的电阻率将随水气的吸附而减小。扩散有哪些微观机制？其激活能与扩散速度有何不同？由构成物质的微观粒子（离子、原子、分子）的热运动而产生的物质迁移现象称为扩散。扩散微观机制：空位机制，间隙机制，复合机制，环形机制。间隙机制：原子在点阵的间隙位置间跃迁面导致的扩散。间隙扩散只要能够挤到另一个填隙位置就完成一个扩散过程，需要的能量很小，扩散速度比较快；空位机制：必须原子前面出现空位时，才有可能进入空位改变它的位置，等待前面又出现了空位后它又可能再向前移动一步。需要一定的激活能
23、，消耗的畸变能不大，容易扩散；交换机制：原子的扩散是相邻两原子直接对调位置，所需的激活能比前两者大得多，扩散速度也更慢。环形机制：同一晶面上距离相等的n个原子可以同时轮换位置以构成扩散试比较原子在表面、晶界、相界、晶内扩散的方式、速度的异同？表面扩散：跳跃式和替位式是两种主要扩散方式。其扩散的类型：(1)表面区浓度梯度引起的扩散(2)毛细管效应引起的扩散相界扩散：一般称基尔肯特（Kirkendall）扩散，由于原子间扩散速度不等，可能发生两种情况：（1）导致界面移动，产生疏孔和陇起物。（2）通过相互扩散生成金属间化合物，如Au-Al键合时生成的紫斑（AuAl2）等。晶界扩散：扩散系数和扩散时间
24、的关系,晶界扩散分为三种类型A.对应于体扩散系数较大的情况：杂质沿晶粒和晶界都发生扩散，基本上杂质是均匀扩散的。B.为体内扩散慢，晶界扩散快的情况：这种扩散使杂质包裹在晶界上。C.对应于晶粒扩散非常小的情况：杂质全部通过晶界往体内扩散，热处理杂质快速污染材料的可能机理、什么是Kirkendall扩散，其发生会导致何种后果？一般称分界面上原子间产生的相互扩散为Kirdenkall（基尔肯特）扩散。由于原子间扩散速度不等，可能发生两种情况：1，导致界面移动，产生疏孔和陇起物2，通过相互扩散生成金属间化合物kirkendall扩散在一般情况是通过体扩散和晶界扩散来进行的，只有在温度较高和时间较长时才
25、明显，它造成的后果对界面的强度、附着力、噪声、接触电阻和抗腐蚀性等有重要影响。固相反应的发生是如何进行的？反应速度的快慢影响因素有哪些？固相反应指所有包含固相物质参加的化学反应，包括固-固相反应，固-液相反应，固-气相反应等。固相反应也可能发生在单一固相内部，如均相反应。第一步：开始时，A晶格中的原子在反应驱力F驱动下，原子键合断裂，形成A原子流JA向B晶格扩散。类似过程也会在B晶格中发生。第二步：经过一段时间后，A、B原子在界面处发生反应生成AB，AB界面标志为A/AB/B,AB是一种新化合物。影响反应速度的因素有：原子的扩散速度，原子键断裂速度。 有两种情况：1，若原子扩散远比晶格中A原子
26、与B原子的键的断裂快，此时，新相形成速度受制于原子A与原子B在各自晶格中键合的断裂速度，这种过程称为反应控制，其生长厚度X与时间的关系为Xt。2，反之，若反应过程比扩散过程快得多，则形成新相的速度取决于扩散速度。称扩散控制，具有Xt1/2关系。许多固相反应常常在开始时是反应控制，但当新相薄膜长到一定厚度后，则转变当为扩散控制。对于大多数固相反应而言，扩散过程是控制反应速率的关键。在硅片直接键合(SBD)工艺中，键合过程是如何完成的？直接键合是指在不需要任何粘结剂和外加电场情况下，将两个表面经亲水处理的硅片面对面贴合，通过高温处理可以直接键合在一起，形成一个具有一定强度的键合片。该工艺对两键合片
27、的晶向、电阻率、导电类型、厚度、掺杂浓度等可自由选择，与微电子工艺兼容，所以自1985年J.B.Lasky首次报道以来，得到了快速发展和广泛应用。硅片表面化学吸附的-OH团是室温下两接触硅片互相吸引的主要来源，硅醇键（Si-OH）在热处理时聚合脱水转变为硅氧键（Si-O-Si）是硅片键合的主要机理。要使硅片充分键合，硅片键合前要经过亲水处理（“表面活化”），使硅片表面产生一个易于吸附-OH基团的结构。亲水处理后的洁净硅片表面形成一层薄的氧化膜，且会被OH原子团终结，同时表面会吸附一些水分子；当两个具有亲水性表面的硅片接触以后，OH根中的氢会作为桥将不同表面的OH原子团连接在一起，氢键的存在保证了最初的键合从室温到110C，Si-O-Si键逐渐被界面的水分解；Si-O-Si+HOHSi-OH+HO-Si，这样界面区的-OH基团大量增加，在键合片之间形成更多的氢键，键合界面水分子重排，形成更加稳定的氢键结构。同时界面结合得更紧密，有利于下一步高温键合。硅片-钠硅玻璃在高温强电场下（硅接负）会发生什么现象？为什么？这是界面间的界面力和界面扩散的问题。表面力
