表面物理学
表面物理学
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表面物理学是20世纪60年代以后固体物理学中的一个重要而且发展极为迅速的领域。表面物理学是固体表面附近的几个原子层内具有许多异于体内的对称性质。表面物理学研究在超高真空下（10～10Torr），这几个原子层内原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来原子或分子以及在表面几个原子层内的外来杂质的电子状态和其他物理性质。实验上是通过电子束、离子束、原子束、光子、热、电场和磁场等与表面的相互作用而得到有关表面结构、表面电子态、吸附物的品种、结合的类型和成键的取向等信息。
内容
理想的晶体表面具有二维周期性，其单位网格由基矢 
决定，根据对称性的要求，可能形成的二维单位网格有五种，如图1所示，这五种格子常称为二维布喇菲格子。由于表面原子受力的情况与体内不同，或由于有外来原子的吸附，最表面层原子常会有垂直于或倾斜于表面的位移，表面下的数层原子也会有相应的垂直或横向位移，因而表面单位网格的基矢
与理想的表面不同，这种现象称为表面再构，如果表面原子只有垂直于表面的运动，则称为表面弛豫。表面结晶学的主要研究内容是弄清 
之间的关系。如 
,p和q都是整数，常用下述符号来描写晶体表面结构 
式中R是元素的符号，
代表密勒指数是hkl的晶面。如果再构是由吸附物A引起的，则可用符号
或
。如果表面和衬底单位网格的基矢并不平行，
之间有相同的夹角α,则常用下述符号来标志表面的再构
。
要定量地研究表面，必须获得表面所有原子的坐标信息，为此早期采用的实验方法是低能电子衍射(LEED)。把能量在
范围的电子沿近于正入射的方向射向晶体表面，通过在荧光屏上观察到的衍射点可以获得有关表面的单位网格的信息。对若干衍射斑点记录斑点强度随电子能量变化的曲线（I-V线）,并对实验结果用根据一定的几何构形计算的理论曲线加以拟合，从而定出原子在单位网格中的位置，这就是LEED结晶学研究表面结构的方法。利用这种方法，研究了许多清洁金属表面的弛豫和再构、金属表面上的吸附、半导体表面的弛豫和再构等。图2给出目前研究得最清楚的而且认识比较一致的 GaAs(110)表面的结构。在表面上的原子向外弛豫，而镓原 子则向内移动，表面的As-Ga键与无弛豫的表面的As-Ga键之间有一个夹角为
的倾斜。由于电子在晶体表面的多重散射增加了LEED结晶学在理论分析上的复杂性。此外，也可用中能电子衍射(MEED)和高能电子衍射 (RHEED)来研究表面结构。
表面扩展X 射线吸收精细结构(SEXAFS)是近年来发展起来的研究表面结构的另一手段。当吸附在衬底 S上的原子A吸收X 射线后，从芯态发射的光电子可受到周围原子的散射，出射电子波与散射电子波之间有干涉作用形成有起伏的末态。这个有起伏的末态使X 射线吸收的几率在吸收边后有振荡现象，振荡的幅度与周期包含了吸附原子 A的近领数及其和周围原子所形成的键长的信息。键长确定的准确度达
。利用能量为 60meV的氦原子在固体表面的弹性散射可以研究衬底和吸附层的周期性结构。足够强的原子束和表面的强相互作用，使这种探测方法具有相当高的灵敏度。探测深度只有
衍射峰的强度主要取决于氦原子和表面原子的相互作用势，如何确定与实际情况最接近的势是当前的一个困难问题。