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XPS 233
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-SIMS 319
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