材料表面界面考試知識(shí)點(diǎn)整理

1、1.原子間的鍵合方式及性能特點(diǎn)原子間的鍵合方式包括化學(xué)鍵和物理鍵,其中化學(xué)鍵又分為離子鍵,共價(jià)鍵和金屬鍵,物理鍵又包括分子鍵和氫鍵.結(jié)合方式晶體特性離子鍵電子轉(zhuǎn)移,結(jié)合力大,無方向性和飽和性硬度高,脆性大,熔點(diǎn)高,導(dǎo)電性差共價(jià)鍵電子共用,結(jié)合力大,有方向性和飽和性強(qiáng)度高,硬度高,熔點(diǎn)低,脆性大,導(dǎo)電性差金屬鍵依靠正離子與構(gòu)成電子氣的自由電子之間的靜電引力使原子結(jié)合,電子逸出共有,結(jié)合力較大,無方向性和飽和性導(dǎo)電性,導(dǎo)熱性,延展性好,熔點(diǎn)較高分子鍵電子云偏移,結(jié)合力很小,無方向性和飽和性熔點(diǎn)低,硬度低氫鍵氫原子同時(shí)與兩個(gè)負(fù)電性很大而原子半徑很小的原子結(jié)合而產(chǎn)生的具有比一般次價(jià)鍵大的鍵力,具有飽和

2、性和方向性2.原子的外層電子結(jié)構(gòu)，晶體的能帶結(jié)構(gòu)。3.晶體（單晶、多晶）的基本概念，晶體與非晶體的區(qū)別。單晶:質(zhì)點(diǎn)按同一取向排列,由一個(gè)核心(晶核)生長而成的晶體;多晶:由許多不同位向的小晶體(晶粒)所組成的晶體.晶體非晶體原子排列規(guī)則排布紊亂分布熔點(diǎn)有固定的熔點(diǎn)沒有明顯的熔點(diǎn)性能各向異性各向同性4.空間點(diǎn)陣與晶胞、晶面指數(shù)、晶面間距的概念，原子的堆積方式和典型的晶體結(jié)構(gòu)。空間點(diǎn)陣:呈周期性的規(guī)律排列的陣點(diǎn)所形成的具有等同的周圍環(huán)境的三維陣列;晶胞:在空間點(diǎn)陣中,能代表空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的最小平行六面體,反應(yīng)晶格特性的最小幾何單元;晶面指數(shù): 在晶格中，通過任意三個(gè)不在同一直線上的格點(diǎn)作一平面，

3、稱為晶面，描寫晶面方位的一組數(shù)稱為晶面指數(shù).一般選取晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距,取倒數(shù)作為晶面指數(shù);晶面間距:兩近鄰晶面間的垂直距離;原子的堆積方式:六角堆積和立方堆積;典型的晶體結(jié)構(gòu):面心立方結(jié)構(gòu),體心立方結(jié)構(gòu),密排六方結(jié)構(gòu).5.表面信息獲取的主要方式及基本原理可以通過光子,電子,離子,聲,熱,電場和磁場等與材料表面作用,來獲取表面的各種信息,或者利用原子線度的極細(xì)探針與被測材料的表面近距離接近,探測探針與材料之間的信號(hào),來獲取表面信息.電子束技術(shù)原理:離子束技術(shù)原理:離子比光子電子都重,它轟擊表面時(shí)產(chǎn)生的效應(yīng)非常明顯.離子不但具有電荷還有電子結(jié)構(gòu)和原子結(jié)構(gòu),當(dāng)離子與表面接近時(shí),除具有靜電場和

4、接觸電勢差作用外,它本身還可以處于不同的激發(fā)電離態(tài),離子還可以與表面產(chǎn)生各種化學(xué)反應(yīng),總之,離子與表面作用后,提供的信息非常豐富.光電子能譜原理:掃描探針顯微鏡技術(shù)原理:6.為什么XPS可獲得表面信息，而X射線衍射只能獲得體信息？略X射線衍射(XRD)是利用晶體形成X射線衍射,對(duì)物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法.將具有一定波長的X射線照射到晶體上時(shí),X射線因在晶體內(nèi)遇到規(guī)則排列的原子或離子而發(fā)生散射,散射的X射線在某些方向上加強(qiáng),從而顯示與晶體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的特有衍射現(xiàn)象.7.利用光電子能譜（XPS）和俄歇電子能譜（Auger）進(jìn)行表面分析的基本原理和應(yīng)用范圍。光電子能譜表面分析原理:光

5、電子能譜就是利用光子與固體表面的光電效應(yīng),分析發(fā)射出的光電子的能量分布和角度分布,進(jìn)而分析表面的成分和價(jià)態(tài).從固體表面發(fā)射出的光電子的能力與它原在的原子中所處的狀態(tài)有關(guān),還與和它作用的光子能力相關(guān).為了能精確的分析出表面的成分和價(jià)態(tài),要求光子能量穩(wěn)定,即使用單色光源.一般選用X射線作為光源.X射線激發(fā)內(nèi)殼層電子(芯電子),然后分析這些芯電子的能力分布,從而進(jìn)行元素的定性分析和化學(xué)狀態(tài)分析.定性分析:表面成分和價(jià)態(tài);定量分析:樣品中各元素的相對(duì)含量.俄歇電子能譜表面分析原理: AES分析是以電子束（或X-射線束）為激發(fā)源，激發(fā)出樣品表面的Auger電子，分析Auger電子的能量和強(qiáng)度，可獲元素種

6、類、含量和分布，以及化學(xué)態(tài)等信息。原子內(nèi)層能級(jí)有一個(gè)電子被電離后,處于激發(fā)態(tài)的原子恢復(fù)到基態(tài)有兩種方式(1)較高能級(jí)上的一個(gè)電子填入內(nèi)層空穴,多余的能量作為特征X射線輻射釋放,最后原子呈現(xiàn)單電離狀態(tài);(2)內(nèi)層空穴被外層的電子填入,多余的能量無輻射,直接傳遞給第二個(gè)電子,并使其發(fā)射出來,這個(gè)電子就是俄歇電子.定性分析:俄歇電子有特定的能量,確定元素的種類;定量分析:根據(jù)俄歇電流的大小測定表面元素的相對(duì)含量.8.透射電子顯微鏡有哪幾種工作模式，它們可獲得材料的什么信息。影像模式,得到樣品的形貌像;衍射模式,晶體點(diǎn)陣的類型和點(diǎn)陣常數(shù),晶體的相對(duì)方位和取向,與晶粒的尺寸大小,孿晶等相關(guān)的晶體缺陷的顯

7、微結(jié)構(gòu)信息.9.掃描電子顯微鏡的二次電子像和背反射電子像的成像原理。二次電子是入射電子從樣品表面激發(fā)出來的能量最低的一部分電子,表明這部分電子來自樣品表面最外層的原子;背反射電子是被樣品表面直接反射回來的電子,具有與入射電子相近的能量,接受背反射電子信號(hào),并在顯示屏顯示,由于原子對(duì)入射電子的反射能力隨原子序數(shù)的增加而增大,因此,對(duì)于表面有不同成分的區(qū)域,其平均原子序數(shù)的差別將造成顯示信號(hào)強(qiáng)度的不同.10.說明電子束技術(shù)的基本特征，舉出幾種利用電子束的波動(dòng)性和粒子性的分析技術(shù)。電子具有波粒二象性,利用電子的波動(dòng)性和粒子性可以將電子束分析技術(shù)分為:波動(dòng)性電子顯微掃描電子顯微鏡(SEM)投射電子顯微

8、鏡(TEM)電子衍射低能電子衍射(LEED)高能電子衍射(HEED)粒子性外層電子紫外光電子能譜(UPS)內(nèi)層電子俄歇電子能譜(AES)11.什么是電子結(jié)合能的位移？價(jià)帶能態(tài)密度可采用什么方法測試，簡述其原理。原子的內(nèi)殼層電子的結(jié)合能收到核內(nèi),核外電荷的分布影響,任何引起這些電荷分布發(fā)生變化的因素,都有可能使原子內(nèi)殼層電子的結(jié)合能產(chǎn)生變化,在光電子能譜圖上看到光電子譜峰的位移,這種現(xiàn)象稱為電子結(jié)合能的位移.固體價(jià)帶中的電子狀態(tài)的能力分布由能態(tài)密度來表示,當(dāng)入射光子能量大于時(shí),光電子發(fā)射的能量分布可以看作是價(jià)帶能態(tài)密度分布.可以通過使用XPS技術(shù)進(jìn)行固體表面能帶研究將價(jià)帶能態(tài)密度測出.12.表面

9、的定義。什么是清潔表面和實(shí)際表面？兩種不同相的交界區(qū)域稱為表面,比如凝聚相,氣相和液相之間的界面,不是幾何意義上的平面而是有一定厚度的過渡區(qū).清潔表面指的是除去了吸附層,氧化層,表面損傷層后,能夠反映材料本征特性的表面(只能在高真空環(huán)境下依存).實(shí)際表面是未經(jīng)過任何處理,存在通常環(huán)境下中的S-G或L-G界面.13.什么是表面的TLK模型？表面缺陷產(chǎn)生的原因是什么？晶體的表面是不均勻的,表面上平行于原子平面的臺(tái)階是由于晶體體相中原子平面的微小配合差錯(cuò)所致,稱為位錯(cuò),進(jìn)一步觀察位錯(cuò)會(huì)發(fā)現(xiàn),這些臺(tái)階也并非是平面,而是由若干個(gè)階梯(steps)組成,表面上有平臺(tái)(Terrace),臺(tái)階(Ledge)和

10、扭曲(Kink),統(tǒng)稱為TLK模型.表面缺陷產(chǎn)生的原因:根據(jù)熱力學(xué)定律,溫度高于絕對(duì)零度時(shí),所有物理系統(tǒng)的熵均不為零.系統(tǒng)的自由能與內(nèi)能,熵和溫度的關(guān)系為F=U-TS,系統(tǒng)穩(wěn)定的條件時(shí)自由能最小,減小F的途徑有減小內(nèi)能,或者增加熵值.當(dāng)熵值增加時(shí),系統(tǒng)的混亂程度增加,原子排列混亂,特別是溫度較高時(shí)混亂程度較大,因此容易產(chǎn)生表面缺陷.14.什么是表面弛豫和表面重構(gòu)？畫出表面弛豫和表面重構(gòu)的原子排列圖。一般的說,表面原子處于不穩(wěn)定的狀態(tài),為是系統(tǒng)的能力降低,將會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)過程,達(dá)到平衡:一是,原子沿垂直于表面方向移動(dòng),稱為弛豫(表面原子排列中斷,在Z軸方向失去平衡,表面原子可能向外或向內(nèi)移動(dòng));二是

11、,平行于表面方向移動(dòng),形成不同于理想表面的二位晶格的超晶格,稱為表面重構(gòu)(表面區(qū)原子排列有明顯的變化,原子間距和排列方式變化(晶格常數(shù),晶格結(jié)構(gòu)),或者晶格結(jié)構(gòu)不變,但旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度).15.為什么表面原子排列與體內(nèi)不同，請(qǐng)比較重構(gòu)與馳豫的異同，并解釋Si（111）2×1重構(gòu)的成因清潔表面的原子排列在發(fā)生了”中斷”后,鍵,對(duì)稱的作用力得不到平衡,為了降低表面能,表面原子的排列就需要進(jìn)行調(diào)整.弛豫是原子沿著垂直于表面方向移動(dòng),重構(gòu)是原子平行于表面方向移動(dòng).Si（111）2×1重構(gòu)的成因:在體內(nèi),Si原子間由雜化鍵合,原子以四面體型連結(jié)稱為金剛石結(jié)構(gòu).在理想的(1,1,1)面上

12、,硅有一根沒有電子配對(duì)的鍵,這根鍵稱為懸掛鍵.在表面,周期性勢場發(fā)生了中斷,在那里的原子比較接近孤立原子,所有在該處的原子具有懸掛鍵必將恢復(fù)成純或純鍵,這種情況稱為退雜化.如果表面的懸掛鍵退化為純鍵,則Si的下面三根鍵為雜化:,的鍵角為120°另一懸掛鍵則退化為鍵，則形成,的鍵角為90°體內(nèi)Si間的鍵合是雜化鍵,鍵角109°因?yàn)榈逆I角為120°,比的鍵角為109°大,這將把表面的硅原子往下拉0.11埃; 的鍵角為90°又比的鍵角小,使原子表面上升0.18埃,于是在硅表面有兩組原子(和),這樣晶胞的尺寸在x方向就比原來大兩倍,所以形成了

13、Si（111）2×1重構(gòu).16.納米材料有哪些效應(yīng)？小尺寸效應(yīng):當(dāng)納米材料結(jié)構(gòu)單元尺寸與光波波長,穿透深度等物理特征尺度相當(dāng)時(shí),其內(nèi)部晶體周期性邊界條件將被破壞.量子尺寸效應(yīng):當(dāng)納米材料的結(jié)構(gòu)單元某一維度上的尺寸降低到某一值時(shí),費(fèi)米面附近的電子能譜有準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)榱穗x散,表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)急劇變化,能隙變寬.表面效應(yīng):納米材料結(jié)構(gòu)單元表面與內(nèi)部原子的數(shù)量比,比表面積,比表面能都隨著基元尺寸的下降而迅速提高.17.說明表面張力和表面自由能分別用于什么情況。解釋表面吸附對(duì)表面自由能的影響。如何測試材料的表面自由能，簡述其基本原理。它們的共同點(diǎn)是：（1）都反映了表面分子受力不均勻的情況；（2）兩

14、者的數(shù)值相同，通常用同一符號(hào)表示。它們的不同點(diǎn)是：（1）兩者的物理意義不同，表面自由能是指等溫、等壓、保持組成不變的條件下，可逆地增加單位表面積時(shí)，體系吉布斯自由能的增值。表面張力是指表面層分子垂直作用于單位長度的邊界上且與表面相切的收縮力.（2）兩者的單位不同，表面自由能的單位是J·m-2，而表面張力的單位是N·m-1.廣義地說表面自由能是指保持相應(yīng)的特征變量和組成恒定時(shí)，每增加單位表面積引起該熱力學(xué)函數(shù)的變化值.狹義地說，表面自由能是指保持溫度、壓力和組成不變時(shí)，每增加單位面積所引起的吉布斯自由能的增值.單位是 J · m-2 .廣義定義： 狹義定義： 表面張

15、力是指：表面層分子垂直作用在單位長度的線段或邊界上且與表面平行或相切的收縮力稱為表面張力.單位是 N · m-1.18.什么是晶體材料的易生長晶面，它與什么因素有關(guān)？NaCl為簡立方晶體，它的易生長晶面是什么？表面態(tài)的產(chǎn)生原因和種類，它對(duì)材料性能有何影響？在表面外側(cè)和內(nèi)側(cè)，電子的波函數(shù)都按指數(shù)關(guān)系衰減，這表明電子的分布幾率在表面處最大，即電子被局限在表面附近。這種電子狀態(tài)即稱作表面態(tài)，對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱為表面能級(jí)。在半導(dǎo)體的表面，由于存在自身缺陷、吸附物質(zhì)、氧化物或與電解液中的物質(zhì)發(fā)生作用等原因，表面存在不飽和的共價(jià)鍵，表面電子之量子狀態(tài)會(huì)形成分立的能級(jí)或很窄的能帶，稱為表面態(tài)。19.形成

16、空間電荷區(qū)的原因和表面空間電荷區(qū)的類型。空間電荷區(qū)的形成:以PN結(jié)為例,由于在半導(dǎo)體接觸面兩側(cè)存在載流子濃度差,載流子會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),電子由N區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入P區(qū),空穴由P區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入N區(qū),兩側(cè)留下了不能移動(dòng)的電離雜質(zhì)電荷,從而形成內(nèi)建電場阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡時(shí),形成空間電荷區(qū),這也是形成原因,而表面空間電荷區(qū)的形成原因主要是存在表面電場.具體原因:表面態(tài)的影響;功函數(shù)的差異;氧化層中存在雜質(zhì)離子;外加偏壓的影響.表面空間電荷區(qū)類型:根據(jù)表面載流子密度的大小與體內(nèi)值得比較,可以分為多子堆積狀態(tài);平帶狀態(tài);耗盡狀態(tài);反型狀態(tài).20.什么是準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)？在非簡并情況下,其中和分別為平衡

17、電子濃度和平衡空穴濃度,是本證載流子濃度,但是有過剩載流子的情況下,上式不在成立.不能夠用統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí),一般引進(jìn)一個(gè)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)來描述電子濃度和空穴濃度.令和為非平衡條件下體內(nèi)或表面空間電荷區(qū)中的電子濃度和空穴濃度,它們可以表示為其中和成為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí).21.有一半導(dǎo)體材料，其體費(fèi)米能級(jí)在導(dǎo)帶下1/3Eg處，表面費(fèi)米能級(jí)距導(dǎo)帶2/3Eg處，Eg為禁帶寬度。問：這是什么類型的半導(dǎo)體？當(dāng)表面與體內(nèi)達(dá)到平衡時(shí)，載流子如何轉(zhuǎn)移？表面區(qū)能帶如何彎曲？N型,當(dāng)表面與體內(nèi)達(dá)到平衡時(shí),電子由體內(nèi)流向表面.因?yàn)楸砻娲嬖陔娮觿葳?向上彎曲.23.請(qǐng)分析非平衡載流子的復(fù)合過程。材料中存在過剩載流子時(shí),系統(tǒng)處于非平衡狀

18、態(tài).當(dāng)產(chǎn)生過剩載流子的外界因素消除后,過剩載流子將逐漸消失.實(shí)驗(yàn)指出,對(duì)于過剩載流子不是很大的情況下,在單位時(shí)間內(nèi),過剩載流子因復(fù)合而引起的濃度變化為(或),同它們的濃度成正比,即,引入比例常數(shù),上式可以寫為,負(fù)號(hào)表示過剩載流子復(fù)合, 為過剩載流子的復(fù)合幾率.如果是在t=0時(shí)將外界因素去掉,則體內(nèi)過剩載流子的變化為,上式表面過剩載流子的密度隨時(shí)間按指數(shù)式衰減.25.試分析多晶ZnO材料中具有雙向整流效應(yīng)的I-V特性曲線與界面電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。ZnO材料屬于N型半導(dǎo)體,晶界區(qū)存在晶界相,所以它的晶界區(qū)勢壘較厚,低偏壓時(shí),勢壘隨電壓變化小,電導(dǎo)的主要形式是熱電子發(fā)射,隧道效應(yīng)很小;電壓增加,出現(xiàn)弱反

19、型,當(dāng)電壓超過某一個(gè)閾值后,能帶彎曲很大,出現(xiàn)強(qiáng)反型,表面區(qū)空穴濃度很高,通過復(fù)合中心傳導(dǎo)電流,晶界道效應(yīng)界面態(tài)上的電子會(huì)通過隧穿效應(yīng)道進(jìn)入右邊,所以,電流迅速增大.26.什么是表面吸附與偏析？當(dāng)氣體分子運(yùn)動(dòng)碰到固體或液體表面,由于氣體分子受到表面的不飽和力場的作用,便會(huì)停留在表面上,是氣體分子在表面中的濃度增加.偏析指的是固-固,固-液界面上,液相或固溶液體中原子(分子)在界面上的富集,即液相或固溶體中溶質(zhì)原子在界面上的濃度大于其基相.27.比較化學(xué)吸附與物理吸附，并畫出它們的吸附能曲線；什么是快化學(xué)吸附和慢化學(xué)吸附？吸附性能物理吸附化學(xué)吸附作用力范德華力剩余價(jià)鍵力吸附熱(能)小大選擇性無選

20、擇性有選擇性吸附速度快,幾乎不需要活化能較慢,需要活化能形成吸附層單分子或多分子吸附層只能形成單分子層其中LFP曲線是物理吸附能曲線,HGCFC曲線是化學(xué)吸附曲線.F點(diǎn)對(duì)應(yīng)著化學(xué)吸附和物理吸附的過渡,該點(diǎn)的能力成為化學(xué)吸附活化能EB.當(dāng)時(shí)為活化學(xué)吸附,這個(gè)過程需要激活,故過程進(jìn)行的比較慢,又稱為慢化學(xué)吸附;當(dāng)時(shí),稱為非活化化學(xué)吸附,過程自發(fā)進(jìn)行,且吸附速率很快,稱為快化學(xué)吸附.28.請(qǐng)解釋第IV型吸附等溫線。吸附等溫線表示在規(guī)定的溫度下平衡吸附時(shí)氣體分壓同吸附量之間的關(guān)系. IV型吸附等溫線是有回線的一類.等溫線在低壓下是凸的,表明吸附物質(zhì)和吸附劑有相當(dāng)強(qiáng)的親和力,并且也易確定等溫線B點(diǎn)的位置

21、(相當(dāng)于蓋滿分子層時(shí)的飽和吸附量).隨著壓力的增加,又有多層吸附逐漸產(chǎn)生毛細(xì)管凝結(jié),吸附量劇增.最后,毛細(xì)孔中均裝滿吸附物,吸附量不在增加,等溫線趨于平緩.29.N型半導(dǎo)體表面吸附氧后它的表面電導(dǎo)和表面能帶如何變化？由于氧具有氧化特性,電子會(huì)從表明流出與氧結(jié)合,從而使表面電導(dǎo)降低,表面能帶向上彎曲,形成耗盡層30.水在N型半導(dǎo)體表面吸附后對(duì)電導(dǎo)和能帶會(huì)發(fā)生哪些影響？氫從導(dǎo)帶中接受電子,使勢壘增加,電阻增大,從而在表面形成耗盡層,又由于反型層中有自由空穴存在,所以電導(dǎo)降低,表面能帶向上彎曲.31.擴(kuò)散有哪些微觀機(jī)制？其激活能與擴(kuò)散速度有何不同？間隙機(jī)制;空位機(jī)制,需要激活能;交換機(jī)制,需要大的激活能;環(huán)形機(jī)制32.試比較原子在表面、晶界、相界、晶內(nèi)擴(kuò)散的方式、速度的異同？在表面或界面處,缺陷的種類比體內(nèi)多,濃度比體內(nèi)大,原子跳躍的距離也比較大,相應(yīng)的說,