《表面科學(xué)簡(jiǎn)介》教學(xué)大綱.docx

1、表面科學(xué)簡(jiǎn)介課程教學(xué)大綱課程代碼：ACHM1001 課程性質(zhì)：專業(yè)選修課程 授課對(duì)象：應(yīng)用化學(xué) 開(kāi)課學(xué)期：6 總學(xué)時(shí)：36學(xué)時(shí) 講課學(xué)時(shí)：36學(xué)時(shí) 參考書(shū)目：黃惠忠等，王建祺等， 周清編著， 黃昆著，學(xué) 分：2學(xué)分實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：0學(xué)時(shí)實(shí)踐學(xué)時(shí)：0學(xué)時(shí)(1).(2) .(3) .(4) .表面化學(xué)分析，華東理工大學(xué)出版社，2007電子能譜學(xué)(XPS/XAES/UPS)引論，國(guó)防工業(yè)出版社，1992 電子能譜學(xué)，南開(kāi)大學(xué)出版社，1995固體物理，:高等教育出版社，1998年(5) 掃描隧道與掃描力顯微鏡分析原理，天津大學(xué)出版社，2009年(6) Wolfram Koch, Max C. Holthau

2、sen, A Chemist's Guide to Density Functional Theory, 2nd Edition，ISBN: 978-3-527-30372-4, Wiley出版社 Oct 2001教學(xué)目的：化學(xué)背景專業(yè)的學(xué)生從事材料光電熱磁相關(guān)科研活動(dòng)時(shí)，需要大量材料表面科學(xué)知識(shí)。 對(duì)很多學(xué)生來(lái)說(shuō)，很多概念來(lái)自于文獻(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)，而概念的材料物理基礎(chǔ)等則一知半解。表面科學(xué)簡(jiǎn)介從原子、分子水平闡述表面結(jié)構(gòu)，討論材料表面物理、化學(xué)現(xiàn)象以及 對(duì)技術(shù)學(xué)科發(fā)展的影響，強(qiáng)調(diào)基本概念。介紹這些表面分析技術(shù)時(shí)，重點(diǎn)討論粒子束與表面 相互作用，及其在表面結(jié)構(gòu)表征中的信息內(nèi)容，為識(shí)譜和分析、理

3、解表面物理、化學(xué)問(wèn)題奠 定基礎(chǔ)。同時(shí)通過(guò)該課程，使學(xué)生了解表面科學(xué)的基本概念，掌握從原子、分子水平理解表 面現(xiàn)象的抽象能力；理解表面科學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)和表面分析技術(shù)；了解幾項(xiàng)常見(jiàn)表面分析 儀器的原理和應(yīng)用。其中介紹的部分固體物理知識(shí)，理論計(jì)算方法有利于學(xué)生對(duì)未來(lái)進(jìn)一步 從事材料光電熱磁相關(guān)研究時(shí)，掌握基本的材料知識(shí)背景，具有綜合考慮材料性能，進(jìn)行材 料設(shè)計(jì)與測(cè)試的能力。第一章前言課時(shí)：1周，共2課時(shí)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)課程內(nèi)容、考核形式、課程內(nèi)容概要本課程所包含主要課程內(nèi)容、表面科學(xué)的意義、表面科學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系二、考勤、考核形式介紹考勤考核規(guī)則，期末考核為開(kāi)卷三、參考書(shū)目第二節(jié)表面一、表面定義

4、定義、和體相不同二、潔凈表面1. 潔凈表面的意義、2 .維護(hù)潔凈表面所需的真空度，3. 以氮?dú)鉃槔?、介紹碰撞概率二、真空1. 真空度的定義、維持真空所需條件2. 真空的儀器與技術(shù)：管道、常見(jiàn)真空規(guī)、3. 泵的分類與使用、維護(hù)4. 漏、檢漏、烘烤思考題：1、如何利用分子截面積計(jì)算表面覆蓋度？2、幾種真空泵的原理與使用范圍，優(yōu)缺點(diǎn)？第二章表面形貌與結(jié)構(gòu)課時(shí)：2周，共2課時(shí)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 表面能與表面張力一、表面能與熱力學(xué)1. 表面能超函數(shù)，表面能對(duì)結(jié)構(gòu)的影響2. 懸空鍵，懸空鍵的化學(xué)反應(yīng)、懸空鍵與表面反應(yīng) 第二節(jié)表面重構(gòu)一、重構(gòu)的命名；1. 理解命名規(guī)則，重構(gòu)旋轉(zhuǎn)矩陣2. 難點(diǎn)帶心結(jié)構(gòu)二、常見(jiàn)重

5、構(gòu)類型，1. 錯(cuò)/硅（100）,2. 硅（111）,3. 金（111）三、常見(jiàn)二維材料表面1. 石墨烯類，2. 硫化鉗類，3. Mxene等金屬類第三節(jié)表面缺陷一、表面弛豫二、表面缺陷缺陷的類型、 缺陷與催化活性中心，以Ni/MoS2脫硫催化劑為例思考題：1、看圖識(shí)別重構(gòu)命名2、二維材料邊缺陷，第三章表面的理論模擬課時(shí)：2周，共4課時(shí)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)晶體對(duì)稱性一、晶體周期性與對(duì)稱性平移對(duì)稱性、二維空間的對(duì)稱性與點(diǎn)群二、倒易空間、格波矢（重點(diǎn)、難點(diǎn)） 三維倒易空間矢量的推導(dǎo)與舉例第二節(jié)固體能帶理論一、平移對(duì)稱性對(duì)薛定鱷方程波函數(shù)解的要求（重點(diǎn)、難點(diǎn)）1. 化學(xué)LCAO原子波函數(shù)構(gòu)建周期性波函數(shù)推

6、導(dǎo)，理解k量子數(shù)2. 一維氫原子鏈的波函數(shù)推導(dǎo)，理解k量子數(shù)二、布里淵區(qū)二維材料的布里淵區(qū)三、能帶理論1. 自由電子氣能帶模型2. 一維氫原子鏈的能帶模型3. 常見(jiàn)三維金屬（金）、半導(dǎo)體（硅）、絕緣體（NaCl）能帶模型4. 有機(jī)半導(dǎo)體材料、光催化半導(dǎo)體材料、能帶模型5. 二維材料能帶模型6. 帶隙、直接帶隙、間接帶隙7. 態(tài)密度第三節(jié)晶體的理論模擬一、密度泛函（DFT）理論1. 多電子薛定謖方程的Hartree-fock方法簡(jiǎn)介與缺陷2. 密度泛函原理3. Khon-Sham方程4. 變分法二、基函數(shù)的要求平面波、球面波、鷹勢(shì)三 常見(jiàn)計(jì)算任務(wù)（以Material studio dmol3為例

7、） 單點(diǎn)能 振動(dòng)頻率與紅外模擬 靜電勢(shì)、電場(chǎng)分布 前線軌道 結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)渡態(tài)搜索 激發(fā)態(tài)與含時(shí)DFT簡(jiǎn)介二、常見(jiàn)密度泛函理論（DFT）計(jì)算軟件1. Gaussian >2. Vasp>3. Material studio 簡(jiǎn)介第四節(jié)表面的理論模擬一、表面建模1. 超晶胞2. 晶格弛豫3. 底層凍結(jié)二、拓?fù)浣^緣體（簡(jiǎn)介）思考題：1、以一維原子鏈為模型，理解k空間2、下載使用一款常見(jiàn)計(jì)算軟件，完成晶體建模和簡(jiǎn)單表面吸附模型的計(jì)算 吸附模型舉例：1. CO在常見(jiàn)金屬Pt （111） , Pt （100） , Pd（lll）等晶面的吸附2. NO在半導(dǎo)體表面Si（Hl）, Ge（100）,吸

8、附3. 石墨烯，硫化鉗等二維半導(dǎo)體的金屬摻雜4. 氧化物表面Mg （100）等有機(jī)分子的吸附5. 完成配位聚合物，有機(jī)聚合物等鏈模型與NO2的吸附作用等第四章X射線光電子譜課時(shí)：3周，共6課時(shí)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)X射線光電子能譜原理一、光與微觀粒子作用模型 光譜能量，對(duì)應(yīng)粒子二、原子核模型薛定愕方程、量子數(shù)規(guī)定三、XPS譜的原理束縛能與動(dòng)能，功函四、俄歇譜的原理 第二節(jié)XPS儀器原理一、X射線的產(chǎn)生 定義、和體相不同、二、樣品的要求接地、費(fèi)米能級(jí)、功函、校正三、光電子分析器減速器、聚焦器、半球分析儀、光電倍增管 第三節(jié)XPS譜解析一、定性分析氧化數(shù)、化學(xué)位移、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)二、定量分析分峰、峰的類型、

9、豐度三、表面分析檢測(cè)深度、角度分析四、原位分析近常壓、原位反應(yīng)、空間分辨分析思考題：1、解典型XPS光譜2、下載一篇文獻(xiàn)，找到XPS圖譜進(jìn)行分析解說(shuō)第五章 紫外線光電子譜（UPS）課時(shí)：1周，共2課時(shí)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)紫射線光電子能譜原理一、能帶與能級(jí)光譜能量，對(duì)應(yīng)粒子二、費(fèi)米能級(jí)、譜帶寬 第二節(jié)UPS儀器原理一、紫外射線槍二、樣品的要求接地、費(fèi)米能級(jí)、功函、校正三、光電子分析器減速器、聚焦器、半球分析儀、光電倍增管第三節(jié)UPS譜解析一、定性分析功函，F(xiàn)ermi能級(jí) 思考題：1、典型半導(dǎo)體材料的UPS分析第六章掠入射角X射線衍射課時(shí)：1周，共2課時(shí) 教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)衍射一、布拉格方程低角度衍射對(duì)

10、應(yīng)的晶格常數(shù)二、相干(Cohenrence)三、二維投影平面投影平面的公式第二節(jié)儀器原理一、點(diǎn)光源與線光源第三節(jié)典型譜的解析標(biāo)峰，積分區(qū)，與粉末XRD的對(duì)應(yīng)關(guān)系第四節(jié)掠入射角譜的拓展一、軟X射線二、原位測(cè)量三、在膠體中的應(yīng)用思考題：1、典型GISAXS譜的分析(圖略)第七章X射線近邊吸收結(jié)構(gòu)115課時(shí)：1周，共2課時(shí)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)同步輻射光源一、布拉格方程二、二維投影平面第二節(jié)近邊吸收原理一、閾值之上60 eV以內(nèi)的低能區(qū)的譜出現(xiàn)強(qiáng)的吸收特性,稱之為近邊吸收結(jié)構(gòu) (XANES)。激發(fā)光電子經(jīng)受周圍原子的多重散射造成的。二、它不僅反映吸收原子周圍環(huán)境中原子幾何配置，而且反映凝聚態(tài)物質(zhì)費(fèi)米能級(jí)附

11、近 低能位的電子態(tài)的結(jié)構(gòu)。三、頻譜的傅里葉變換分析第三節(jié)近邊吸收在現(xiàn)代催化中的應(yīng)用四、單原子催化與X射線近邊吸收結(jié)構(gòu)思考題：1、典型近邊吸收的數(shù)據(jù)分析(圖略)第八章掃描隧道顯微鏡課時(shí)：2周，共4課時(shí)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)儀器原理一、隧道電流公式 恒流、恒高、隧穿譜模式一、減震與位移系統(tǒng) 阻尼系統(tǒng)、主動(dòng)減震、微步馬達(dá)，壓電陶瓷三、針尖與樣品第二節(jié)STM譜解析一、STM譜的理論模型四種近似模型、重點(diǎn)介紹Tersoff-Hamman近似二、恒高、恒流模式解析針尖卷積效應(yīng)三、STS譜的解析 帶寬，單分子器件五、常見(jiàn)單晶表面的STM圖像Si (111) , Cu (100) , Ge (100),石墨烯六、科

12、研前沿拓展專題：亞原子成像、鍵成像、軌道分辨成像七、科研前沿拓展專題：針尖操作思考題：1、Si (111)的STM圖像分析(圖略)第九章原子力顯微鏡課時(shí)：1周，共2課時(shí)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)儀器原理一、激光測(cè)距、二、針尖振動(dòng)三、常見(jiàn)工作模式第二節(jié) 導(dǎo)電AFM與表面電勢(shì)KFM模式一、原理與表面電勢(shì)標(biāo)定第三節(jié)Qplus AFM一、原理與超高分辨二、研究前沿第四節(jié) 針尖增強(qiáng)拉曼AFM一、 原理與超高分辨二、研究前沿 第五節(jié)電化學(xué)AFM與刻蝕一、原理三電極系統(tǒng)，電化學(xué)針尖，漏電流，循環(huán)伏安掃描二、研究前沿思考題：1、更多AFM工作模式（圖略）第十章表面吸附與生長(zhǎng)課時(shí)：2周，共4課時(shí)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)吸附與吸收

13、一、物理吸附與化學(xué)吸附1. 鍵能大小、溫度、解離、可逆性等比較2. 常見(jiàn)吸附舉例3. 單層吸附與多層吸附二、吸附模型等溫式1. 朗繆爾模型、BET模型等表現(xiàn)形式2. 吸附與孔道的關(guān)系3 .比表面的測(cè)定第二節(jié)吸附研究方法一、TPD程序升溫介紹儀器原理與使用三、XPS表面物種與價(jià)態(tài)表面價(jià)態(tài)分析四、表面增強(qiáng)拉曼振動(dòng)模式拉曼成像與表面拉曼增強(qiáng)簡(jiǎn)介第三節(jié)吸附的理論模擬一、吸附位點(diǎn)分子取向二、吸附能三、吸附過(guò)渡態(tài)的研究第四節(jié)生長(zhǎng)一、外延生長(zhǎng)晶格匹配、裝備、實(shí)例二、潤(rùn)濕三、表面納米結(jié)構(gòu)思考題：1、由BET數(shù)據(jù)提取比表面數(shù)據(jù)（圖略）2、不對(duì)稱懸臂梁數(shù)據(jù)提取吸附培（數(shù)據(jù)略，現(xiàn)場(chǎng)提供）第十一章表界面與器件結(jié)構(gòu)課時(shí)：1周，共2課時(shí)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)半導(dǎo)體與能