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第1章 引论1

1.1 材料表面1

1.1.1 表面的定义1

1.1.2 材料表面的基本特性2

1.2 技术学科群中的材料表面4

1.2.1 经典热电离发射4

1.2.2 化学工业中催化材料表面4

1.2.4 薄膜材料表面与界面5

1.2.3 信息学科中的半导体表面5

1.2.5 机械学科中的摩擦表面6

1.2.6 能源和环境中的材料表面6

1.3 本书主题内容7

1.3.1 材料表面特性的研究主题8

1.3.2 材料表面问题实验研究方法简评9

1.4 材料表面科学的形成与发展11

1.4.1 Langmuir的贡献11

1.4.2 材料表面科学形成的背景11

1.4.3 材料表面科学未来的发展空间14

参考文献15

第2章 材料表面原子迁移扩散17

2.1 概述17

2.1.1 材料表面稳态结构和原子迁移扩散17

2.1.2 表面原子稳态结构的客观表述18

2.1.3 理想表面19

2.1.4 真实表面19

2.1.5 材料尺度和原子的迁移特性26

2.2.1 表面缺陷与TLK模型27

2.2 表面缺陷及扩散机制27

2.2.2 表面原子扩散机制29

2.2.3 随机行走模型30

2.3 表面原子扩散实验研究30

2.3.1 Müller的贡献31

2.3.2 表面多原子、分子迁移扩散37

2.3.3 表面扩散问题的复杂性43

2.4 薄膜生长和表面原子迁移扩散45

2.4.2 外延生长方式及AES信号强度46

2.4.1 金属表面外延生长46

2.4.3 表面能与生长模式48

2.4.4 薄膜生长中的原子过程52

2.5 原子迁移与扩散推动力54

2.5.1 经典浓差扩散54

2.5.2 表面电迁移56

2.5.3 覆盖层电迁移问题的处理63

2.5.4 电迁移过程中的界面反应65

参考文献72

3.1.1 从原子轨道分裂能级到固体能带76

3.1.2 三维晶体电子结构和Bloch波函数76

第3章 材料表面电子结构76

3.1 概述76

3.1.3 Tamm对表面电子结构的理论证明78

3.1.4 表面态的定性理解80

3.1.5 费米能EF及费米分布函数F(E)82

3.1.6 状态密度83

3.2.2 逸出功85

3.2 金属表面电子结构的特点85

3.2.1 表面附近电荷密度分布85

3.3 半导体表面电子结构96

3.3.1 表面附近电子的能级关系96

3.3.2 逸出功和费米能97

3.3.3 吸附对表面费米能级的影响99

3.3.4 费米能级的动态变化及钉扎100

3.3.5 空间电荷层105

3.3.6 空间电荷层分类107

3.3.7 金属－半导体接触界面电子结构108

3.4 金属氧化物表面电子结构110

3.4.1 过渡金属前金属化合物111

3.4.2 过渡金属后金属化合物114

3.4.3 过渡金属氧化物表面电子结构121

3.5 纳米材料表面电子结构简介125

3.5.1 从表面说起126

3.5.3 纳米粒子的电子结构特点127

3.5.2 纳米粒子是物质结构的新形态127

参考文献135

第4章 表面原子几何结构及其测定——二维结晶学及低能电子衍射139

4.1 理想晶面139

4.1.1 晶体表面原子排列的一般特征139

4.1.2 二维结晶学研究内容142

4.1.3 二维Bravais格子144

4.1.4 四个晶系144

4.1.5 二维（表面）结构表示145

4.1.6 台阶表面结构表示148

4.2 二维倒易点阵150

4.2.1 基本概念150

4.2.2 正、倒格子的几何关系151

4.2.3 实空间和倒易空间Bravais格子152

4.3 表面结构测定153

4.3.1 低能电子衍射154

4.3.2 衍射方程155

4.3.4 正、倒格子相互表示156

4.3.3 Eward球156

4.3.5 吸附层结构测定实例157

4.3.6 吸附层原子几何结构160

4.3.7 孤立的吸附原子或分子161

4.3.8 LEED衍射图的实用价值162

4.4 衍射电子束强度测量和LEED定量分析162

4.4.1 I-V曲线162

4.4.2 实验技术165

4.4.3 计算程序165

4.4.4 LEED定量分析应用及限制166

4.5 晶体陶瓷表面结构的一些特点166

4.5.1 陶瓷晶体表面的基本结构167

4.5.2 金属氧化物晶体表面169

4.6 碳化物表面结构173

4.7 氮化物表面结构174

参考文献176

5.1.1 电子束与固体表面相互作用，俄歇效应179

5.1 引言179

第5章 表面化学元素组成的测定——俄歇电子谱179

5.1.2 俄歇电子谱仪的形成181

5.1.3 俄歇谱的特点181

5.1.4 俄歇电子谱仪的发展182

5.2 俄歇电子谱工作原理184

5.2.1 俄歇跃迁及俄歇电子发射184

5.2.2 两种退激发机制185

5.2.3 俄歇跃迁命名及分类186

5.2.4 俄歇电子产额187

5.3 俄歇电子动能及元素定性分析188

5.3.1 理论计算188

5.3.2 经验表达式189

5.3.3 AES定性分析189

5.4 AES定量分析及有关参数191

5.4.1 电离截面192

5.4.3 逃逸深度及相关概念193

5.4.2 非弹性散射及AES分析深度193

5.4.4 AL和IMFP的定量计算195

5.4.5 背散射电子的影响197

5.4.6 俄歇灵敏度因子及定量分析199

5.5 俄歇电子谱仪的工作模式及其信息内容202

5.5.1 扫描俄歇微探针202

5.5.2 一般测定模式202

5.5.3 点分析203

5.5.4 线扫描205

5.5.5 俄歇图206

5.5.6 深度剖析206

5.6 俄歇化学位移及线形分析215

5.6.1 AES谱峰能量位移215

5.6.2 俄歇线形分析216

参考文献218

第6章 表面元素组成及其化学态表征——X射线光电子谱222

6.1 概述222

6.2 X射线光电子谱仪及其发展225

6.2.1 X射线源226

6.2.2 能量分析器230

6.2.3 检测器231

6.2.4 能量基准231

6.2.5 荷电效应232

6.2.6 成像XPS233

6.3 X射线光电子谱基本原理239

6.3.1 电子的能级特性和光电发射定律239

6.3.2 光电子发射过程中的相互作用240

6.3.3 构成XPS谱的基本物理因素241

6.4 初态效应和化学位移242

6.4.1 化学位移243

6.4.2 不均匀本底XPS谱峰展宽247

6.4.3 微分荷电与结合能位移248

6.4.4 化学位移的复杂性249

6.5 终态效应及其伴峰249

6.5.1 终态效应的起源250

6.5.2 多重分裂250

6.5.3 震激与震离253

6.5.4 等离子激元和能量损失谱254

6.5.5 俄歇伴峰及XAES信息价值256

6.6 AD-XPS表面分析技术260

6.6.1 AD-XPS工作原理260

6.6.2 AD-XPS深度剖析，最大熵法262

6.6.3 AD-XPS技术与薄膜厚度测量266

6.7 XPS价带谱266

6.7.2 非计量比和电子特性转化267

6.7.1 金属氧化物电子结构267

6.7.3 聚合物XPS价带谱268

6.8 XPS定量分析及相关问题272

6.8.1 定量分析基本方程272

6.8.2 相对灵敏度因子法275

6.8.3 背底扣除和强度测定276

6.9 谱峰拟合及峰形分析279

6.10 主元分析281

参考文献283

7.1 离子束和固体表面作用概述287

第7章 材料表面分子结构表征——静态次级离子质谱287

7.2 溅射过程及其产额289

7.2.1 SIMS基本方程289

7.2.2 纯元素固体的溅射过程289

7.2.3 化合物中串级碰撞300

7.2.4 溅射粒子的电离及基体效应302

7.2.5 分子材料次级离子的形成机制304

7.2.6 溅射原子和分子电离过程补充说明306

7.3.1 SSIMS的特点311

7.3 静态次级离子质谱311

7.3.2 静态和动态次级离子质谱对比312

7.4 ToF-SIMS谱仪313

7.4.1 仪器结构313

7.4.2 ToF-SIMS离子源313

7.4.3 ToF-SIMS质量分析器315

7.4.4 电荷补偿317

7.4.5 ToF-SIMS成像318

7.5.1 LPI-ToF-SIMS仪器结构及实验要点319

7.5 激光后电离ToF-SIMS319

7.5.2 LPI-ToF-SIMS工作原理320

7.5.3 光电离几率321

7.5.4 LPI-ToF-SIMS基本方程324

7.5.5 LPI-ToF-SIMS实验参数325

7.6 ToF-SIMS信息内容330

7.6.1 元素识别330

7.6.2 硅片表面污染物检测331

7.6.3 聚合物和有机膜表面分析332

7.6.4 无机化合物分析340

7.6.5 深度剖析343

7.6.6 成像分析345

7.7 SSIMS定量分析347

7.7.1 相对灵敏度因子法347

7.7.2 聚合物表面定量表征348

参考文献360

8.1.2 从单晶表面到实用催化剂365

8.1.1 概述365

第8章 材料表面气体吸附与反应365

8.1 金属表面气体吸附与反应365

8.1.3 负载模型催化剂367

8.1.4 金属表面CO化学吸附367

8.1.5 表面改性对CO化学吸附的影响378

8.1.6 CO化学吸附位置及XPS分析383

8.1.7 不等价原子吸附时化学位移387

8.1.8 分子取向及吸附诱导化学位移388

8.2.2 吸附质诱导衬底表面结构改变389

8.2.1 背景简述389

8.2 吸附或沉积物对衬底表面结构的影响389

8.2.3 强金属载体相互作用394

8.3 负载原子簇物理化学特性398

8.3.1 引言398

8.3.2 负载铑（Rh）原子簇CO解离400

8.3.3 负载金（Au）原子簇的催化活性400

8.3.4 负载金属原子簇的电子结构402

8.4.1 气敏化学传感器的工作原理407

8.4 化学传感材料表面气体吸附与反应407

8.4.2 气体分子吸附诱导传感材料表面电子结构的变化409

8.4.3 纳米SnO2薄膜结构特征412

参考文献420

第9章 异质薄膜材料界面426

9.1 异质薄膜材料界面的主要论题426

9.2 金属－半导体接触界面427

9.2.1 镜像力作用427

9.2.2 Schottky接触有效势垒高度428

9.2.3 Schottky接触界面横向不均匀性431

9.2.4 金属诱导带隙态（MIGS）和电负性433

9.2.5 温度、压力对势垒高度的影响436

9.3 异质界面扩散反应动力学438

9.3.1 异质界面扩散反应研究的难点438

9.3.2 Ti/Si界面扩散反应动力学439

9.4 纳米级埋藏界面化学结构表征447

9.4.1 SiO2/Si界面化学结构448

9.4.2 10nm NON薄膜结构449

9.4.3 计算机硬盘表面化学结构分析451

9.4.4 埋藏界面结构缺陷及污染物分析452

9.5 有机光电子材料和器件中的界面问题455

9.5.1 几个基本概念456

9.5.2 界面电子结构表征460

9.5.3 OLED有机物－金属界面462

9.5.4 PLED聚合物－金属界面465

9.5.5 阳极界面物理和化学问题467

9.6 生物有机材料界面472

参考文献479

第10章 运动状态下的接触界面——摩擦过程界面物理化学484

10.1 概述484

10.2 接触表面形态和磨损机制485

10.2.1 金属磨损表面形态485

10.2.2 陶瓷磨损表面形态特征490

10.3 固体润滑界面结构492

10.2.3 聚合物磨损表面形态特征492

10.3.1 固体润滑材料493

10.3.2 固体润滑涂层的状态变化495

10.3.3 固体润滑膜的化学结构497

10.3.4 混合润滑剂中的固体润滑剂499

10.4 摩擦界面化学500

10.4.1 摩擦表面上反应物的激活方式501

10.4.2 ZDDP摩擦反应502

10.4.3 ZDDP摩擦反应膜结构表征509

10.4.4 ZDDP摩擦膜化学结构细析516

10.4.5 极压状态下的接触界面526

10.5 纳米材料和器件摩擦化学特点530

10.5.1 体系特征530

10.5.2 保护层材料特性及摩擦化学分析530

10.5.3 纳米润滑、耐磨涂层分子设计535

10.5.4 自组装单层润滑膜537

10.6 生物体内的动态接触界面540

参考文献545