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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XPS 165

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-SIMS 247

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