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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

1.2.3信息学科中的半导体表面5

1.2.4薄膜材料表面与界面5

1.2.5机械学科中的摩擦表面5

1.2.6能源和环境中的材料表面6

1.3本书主题内容6

1.3.1材料表面特性的研究主题7

1.3.2材料表面问题实验研究方法简评8

1.4材料表面科学的形成与发展9

1.4.1 Langmuir的贡献9

1.4.2材料表面科学形成的背景9

1.4.3材料表面科学未来的发展空间10

参考文献11

第2章 材料表面原子迁移扩散13

2.1材料表面稳态结构和原子迁移扩散13

2.1.1概述13

2.1.2理想表面14

2.1.3重构表面17

2.1.4表面偏析19

2.2表面缺陷及扩散机制21

2.2.1表面缺陷与TLK模型21

2.2.2表面原子扩散机制22

2.2.3随机行走模型实验证明24

2.2.4 W（110）晶面3d金属表面集合扩散SAM分析26

2.3原子迁移与扩散推动力29

2.3.1经典浓差扩散29

2.3.2表面电迁移32

2.3.3电迁移过程中的界面交换反应37

参考文献43

第3章 材料表面电子结构45

3.1概述45

3.1.1从原子轨道分裂能级到固体能带45

3.1.2三维晶体电子结构和Bloch波函数45

3.1.3 Tamm对表面电子结构的理论证明47

3.1.4表面态的定性理解49

3.1.5费米能EF及费米分布函数F（E）50

3.1.6状态密度51

3.2金属表面电子结构的特点53

3.2.1表面附近电荷密度分布53

3.2.2逸出功54

3.3半导体表面电子结构62

3.3.1表面附近的电子能级关系63

3.3.2费米能和逸出功64

3.3.3费米能级的动态变化及钉扎65

3.3.4空间电荷层71

3.4金属氧化物表面电子结构73

3.4.1过渡金属前金属化合物73

3.4.2过渡金属后金属化合物76

3.4.3过渡金属氧化物表面电子结构80

参考文献84

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87

4.1二维结晶学87

4.1.1理想晶面87

4.1.2二维结晶学研究内容87

4.1.3二维Bravais格子89

4.1.4四个晶系89

4.1.5二维（表面）结构表示90

4.1.6台阶表面结构表示93

4.2二维倒易点阵95

4.2.1基本概念95

4.2.2正、倒格子的几何关系95

4.2.3实空间和倒易空间Bravais格子97

4.3表面结构测定98

4.3.1低能电子衍射98

4.3.2衍射方程99

4.3.3 Eward球100

4.3.4正、倒格子相互表示101

4.3.5吸附层结构测定实例101

4.3.6吸附层原子几何结构105

4.3.7孤立的吸附原子或分子105

4.3.8 LEED衍射图的实用价值106

4.4衍射电子束强度测量和LEED定量分析107

4.4.1 I-V曲线107

4.4.2实验技术109

4.4.3计算程序110

4.4.4 LEED定量分析应用及限制110

参考文献111

第5章 表面化学元素组成的测定——俄歇电子谱113

5.1引言113

5.1.1电子束与固体表面相互作用，俄歇效应113

5.1.2俄歇电子谱仪的形成115

5.1.3俄歇谱的特点115

5.1.4俄歇电子谱仪的发展116

5.2俄歇电子谱工作原理118

5.2.1俄歇跃迁及俄歇电子发射118

5.2.2两种退激发机制118

5.2.3俄歇跃迁命名及分类119

5.2.4俄歇电子产额120

5.3俄歇电子动能及元素定性分析121

5.3.1理论计算122

5.3.2经验表达式122

5.3.3 AES定性分析123

5.4 AES定量分析及有关参数125

5.4.1电离截面125

5.4.2非弹性散射及AES分析深度126

5.4.3逃逸深度及相关概念127

5.4.4 AL和IMFP的定量计算128

5.4.5背散射电子的影响130

5.4.6俄歇灵敏度因子及定量分析133

5.5俄歇电子谱仪的工作模式及其信息内容135

5.5.1扫描俄歇微探针135

5.5.2一般测定模式136

5.5.3点分析136

5.5.4线扫描138

5.5.5俄歇图139

5.5.6深度剖析140

5.6俄歇化学位移及线形分析147

5.6.1 AES谱峰能量位移147

5.6.2俄歇线形分析149

参考文献151

第6章 表面元素组成及其化学态表征——X射线光电子谱154

6.1概述154

6.2 X射线光电子谱仪及其发展156

6.2.1 X射线源158

6.2.2能量分析器161

6.2.3检测器163

6.2.4能量基准163

6.2.5荷电效应164

6.2.6成像XPS165

6.3 X射线光电子谱基本原理171

6.3.1电子的能级特性和光电发射定律171

6.3.2光电子发射过程中的相互作用172

6.3.3构成XPS谱的基本物理因素173

6.4初态效应和化学位移174

6.4.1化学位移175

6.4.2不均匀本底XPS谱峰展宽179

6.4.3化学位移的复杂性179

6.5终态效应及其伴峰181

6.5.1终态效应的起源181

6.5.2多重分裂181

6.5.3震激与震离184

6.5.4等离子激元和能量损失谱185

6.5.5俄歇伴峰及XAES信息价值187

6.6 AD -XPS表面分析技术191

6.6.1 AD-XPS工作原理191

6.6.2 AD-XPS深度剖析，最大熵法194

6.6.3 AD-XPS技术与薄膜厚度测量197

6.7 XPS价带谱197

6.7.1金属氧化物电子结构198

6.7.2聚合物XPS价带谱199

6.8 XPS定量分析及相关问题204

6.8.1定量分析基本方程204

6.8.2相对灵敏度因子法206

6.8.3背底扣除和强度测定207

6.9谱峰拟合及峰形分析210

参考文献212

第7章 材料表面分子结构表征——静态次级离子质谱216

7.1离子束和固体表面作用概述216

7.2溅射过程及其产额217

7.2.1 SIMS基本方程218

7.2.2纯元素固体的溅射过程218

7.2.3化合物中串级碰撞228

7.2.4溅射粒子的电离及基体效应230

7.2.5分子材料次级离子的形成机制232

7.2.6溅射原子和分子电离过程补充说明234

7.3静态次级离子质谱239

7.3.1 SSIMS的特点239

7.3.2静态和动态次级离子质谱对比240

7.4 ToF-SIMS谱仪241

7.4.1仪器结构241

7.4.2 ToF-SIMS离子源241

7.4.3 ToF-SIMS质量分析器243

7.4.4电荷补偿245

7.4.5 ToF-SIMS成像246

7.4.6激光后电离ToF-SIMS247

7.5 ToF-SIMS信息内容247

7.5.1元素识别248

7.5.2硅片表面污染物检测249

7.5.3聚合物和有机膜表面分析250

7.5.4无机化合物分析257

7.5.5深度剖析260

7.5.6成像分析261

7.6 SSIMS定量分析263

7.6.1相对灵敏度因子法263

7.6.2聚合物表面定量表征264

参考文献275

第8章 材料表面气体吸附与反应280

8.1金属表面气体吸附与反应280

8.1.1概述280

8.1.2从单晶表面到实用催化剂280

8.1.3负载模型催化剂282

8.1.4金属表面CO化学吸附282

8.1.5表面改性对CO化学吸附的影响293

8.1.6 CO化学吸附位置及XPS分析298

8.1.7不等价原子吸附时化学位移303

8.1.8分子取向及吸附诱导化学位移304

8.2强金属载体相互作用305

8.3负载原子簇物理化学特性309

8.3.1引言309

8.3.2负载铑（Rh）原子簇CO解离310

8.3.3负载金（Au）原子簇的催化活性311

8.3.4负载金属原子簇的电子结构313

8.4化学传感材料表面气体吸附317

8.4.1气敏化学传感器的工作原理318

8.4.2纳米SnO2薄膜结构特征320

参考文献325

第9章 异质薄膜材料界面329

9.1异质薄膜材料界面的主要论题329

9.2金属-半导体接触界面330

9.2.1镜像力作用330

9.2.2 Schottky接触有效势垒高度331

9.2.3 Schottky接触界面横向不均匀性334

9.2.4金属诱导带隙态（MIGS）和电负性336

9.2.5温度、压力对势垒高度的影响339

9.3异质界面扩散反应动力学341

9.3.1异质界面扩散反应研究的难点341

9.3.2 Ti／Si界面扩散反应动力学342

9.4纳米级埋藏界面化学结构表征350

9.4.1 SiO2 ／Si界面化学结构351

9.4.2 10 nm NON薄膜结构353

9.4.3计算机硬盘表面化学结构分析355

9.4.4埋藏界面结构缺陷及污染物分析357

9.5有机光电子材料和器件中的界面问题361

9.5.1几个基本概念362

9.5.2界面电子结构表征367

9.5.3 OLED有机物-金属界面368

9.5.4 PLED聚合物-金属界面371

9.5.5阳极界面物理和化学问题374

9.6生物有机材料界面378

参考文献386

第10章 运动状态下的接触界面——摩擦过程界面物理化学391

10.1概述391

10.2接触表面形态和磨损机制392

10.2.1金属磨损表面形态392

10.2.2陶瓷磨损表面形态特征397

10.2.3聚合物磨损表面形态特征399

10.3固体润滑界面结构399

10.3.1固体润滑材料400

10.3.2固体润滑涂层的状态变化402

10.3.3固体润滑膜的化学结构403

10.3.4混合润滑剂中的固体润滑剂405

10.4摩擦界面化学407

10.4.1摩擦表面上反应物的激活方式407

10.4.2 ZDDP摩擦反应409

10.4.3 ZDDP摩擦反应膜结构表征415

10.4.4 ZDDP摩擦膜化学结构细析421

10.4.5极压状态下的接触界面432

10.5纳米材料和器件摩擦化学特点435

10.5.1体系特征435

10.5.2保护层材料特性及摩擦化学分析436

10.5.3纳米润滑、耐磨涂层分子设计441

10.5.4自组装单层润滑膜443

10.6生物体内的动态接触界面446

参考文献451