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1、第第2章章 表面结晶学表面结晶学Chapter 2 Crystallography of Surface为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.1 理想表面结构理想表面结构n n理想表面是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。如理想表面是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。如果果忽略忽略忽略忽略晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；忽忽忽忽略略略略表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象；表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象；忽忽忽忽略略略略表面外界环境的物理和化学作用等等
2、内外因素；则可表面外界环境的物理和化学作用等等内外因素；则可以把晶体的以把晶体的解理面解理面解理面解理面认为是认为是理想表面理想表面理想表面理想表面。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能表面二维晶体结构表面二维晶体结构n n如同三维晶体结构一样，任何一个二维周期性结构均可以如同三维晶体结构一样，任何一个二维周期性结构均可以用一个二维点阵加上结构基元来描述。用一个二维点阵加上结构基元来描述。n n点阵就是在一平面上点的无限排列，围绕每一点的环境都点阵就是在一平面上点的无限排列，围绕每一点的环境都是相同的。是相同的。n n结
3、构基元可以是一个原子也可以是许多原子的组合。结构基元可以是一个原子也可以是许多原子的组合。1.1.平移对称性和点对称性（平移对称性和点对称性（平移对称性和点对称性（平移对称性和点对称性（translation symmetry&translation symmetry&point symmetry)point symmetry)为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n n所谓对称操作所谓对称操作(symmetry operations)(symmetry operations)就是能使结构复原的就是能使结构复原的动作。动作
4、。n n二维晶体的对称性质可以用三种对称操作来描述：平移、二维晶体的对称性质可以用三种对称操作来描述：平移、旋转和反映（镜面）。旋转和反映（镜面）。三种对称操作三种对称操作三种对称操作三种对称操作为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(1)(1)平移对称性平移对称性平移对称性平移对称性平移群平移群平移群平移群 abab为二维点阵的单位矢量，又被称为平移对称矢量为二维点阵的单位矢量，又被称为平移对称矢量平面点阵在数学上可用平面点阵在数学上可用平移对称操作平移对称操作(平移群平移群)来描述来描述T=n1a+n2bn1,n2为整
5、数为整数ab这个操作可将原点平移到点阵中任何一点，即可以形成整个点阵。如此进行的全部平移即为该平面点阵的平移群。平移群是点阵的数学表达式。它被用来定义结构的二维周期性。由组成的平行四边形称为单位晶胞(Primitivecell)。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(2)点对称性点群点阵转动后保持不变，被称为最小旋转角点群包括使一点不动而维持结构不变的所有操作。结合旋转和反映对称操作，可以得到总数为结合旋转和反映对称操作，可以得到总数为10的二维点群。的二维点群。1，1m,2,2mm,3,3m,4,4mm,6,6mm n
6、为沿旋转轴转动一圈中重复的次数，称为沿旋转轴转动一圈中重复的次数，称n重旋转对称性。重旋转对称性。n=1,2,3,4,6 共共5种，对二维晶体不存在种，对二维晶体不存在n=5.(i)旋转对称操旋转对称操作作(ii)镜面镜面(反映反映)对称操作对称操作镜面(反映)对称操作用m表示。(三维32个点群)=2/n为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能10个二维点群为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(3)二维Bravais点阵对于一个给定的点群只有一定的点阵
7、与之对应。点群数目只有10个，不重复的独立的点阵类型也应有限。可以证明二维只有可以证明二维只有5种不同的点阵，称之为种不同的点阵，称之为 Bravais点阵。点阵。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(a)平行四边形平行四边形 p 非直角非直角 a b 90o 点群点群:2 (b)正方形正方形 p 四方四方 a=b =90o 点群点群:4mm(c)60o菱形菱形 p 六角六角 a=b =120o 点群点群:6mm 5种独立的Bravais点阵为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神
8、,充分发挥中小学图书室育人功能(d)长方形长方形 p 矩形矩形 a b =90o 点群点群:2mm (e)长方形长方形 c 矩形矩形 a b =90o 点群点群:2mm (三维14种)5种独立的Bravais点阵续为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(4)二维空间群二维空间群一个晶体表面总的对称性是用一个晶体表面总的对称性是用Bravais点阵和结构基元的结晶点阵和结构基元的结晶学点群相结合加以描述。学点群相结合加以描述。5个个Bravais点阵和点阵和10个点群唯一的和允许的结合共个点群唯一的和允许的结合共17个，这个
9、，这些结合被称为二维空间群。（三维些结合被称为二维空间群。（三维230个）个）知道单胞及空间群就可以完整地描述表面结构。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能17种二维空间群种二维空间群为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.Miller指数指数同同三三维维空空间间点点阵阵一一样样，二二维维点点阵阵可可以以用用密密勒勒指指数数(Miller indices)来来表表示示。可可以以对对一一个个晶晶体体表表面面从从各各个个方方向向划划分分成成许许多多组组
10、平平行行且且等等距距离离的的原原子子排排，一一经经划划定定后后，所所有有点点阵阵点点应应当当毫毫无无遗遗漏漏地地全全部部包包含含在在原原子子排排里里，密密勒勒指指数数就就是是通通过过标记这些原子排来描述晶体表面。标记这些原子排来描述晶体表面。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二维Miller指数设有一原子排与设有一原子排与a,b轴交于轴交于M1,M2点点 OM1=ha=3a;OM2=kb=4b 以以a、b为单位，截距为单位，截距h和和k可用来表示原子排可用来表示原子排(hk)=(43)这样的线也可以认为与单胞交于这样的
11、线也可以认为与单胞交于a/4和和b/3(h k)为密勒指数，为整数为密勒指数，为整数为避免使用为避免使用，通常用，通常用h:k=1/h:1/k来表示原子排来表示原子排但但若若原原子子排排与与a或或b平平行行，则则h或或k=为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能不同不同不同不同MillerMiller指数原子排举例指数原子排举例指数原子排举例指数原子排举例(01)(12)(13)为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能典型金属的晶体结构典型金属的晶体结构典
12、型金属的晶体结构典型金属的晶体结构 结结 构构金金 属属体心立方结构体心立方结构bcc(body centered cubic)Fe,W面心立方结构面心立方结构fcc(face centered cubic)Ag,Au,Co,Cu,Ni,Pt,Rh3.从体相结构预测的表面结构从体相结构预测的表面结构为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(1)(1)从体心立方从体心立方从体心立方从体心立方bcc(Fe,Wbcc(Fe,W等等等等)预测的相关面预测的相关面预测的相关面预测的相关面为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的
13、十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(2)(2)从面心立方从面心立方从面心立方从面心立方fcc(Pt,Au,Cufcc(Pt,Au,Cu等等等等)预测的相关面预测的相关面预测的相关面预测的相关面为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.2 清洁表面结构清洁表面结构n n清洁表面清洁表面清洁表面清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理化学效应的表面。催化反应或杂质扩散等一系列物理化学效应的表面。n n这种清洁表面的
14、化学组成与体内相同，但周期结构可以不这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。同于体内。n n由于表面上电子波函数的畸变，使原子处于高能态，容易由于表面上电子波函数的畸变，使原子处于高能态，容易发生发生弛豫和重排弛豫和重排弛豫和重排弛豫和重排，所以其结构偏离理想的二维点阵结构，所以其结构偏离理想的二维点阵结构，形成新的、较为复杂的二维结构。形成新的、较为复杂的二维结构。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n n清清清清洁洁洁洁表表表表面面面面结结结结构构构构的的的的特特特特征征征征就就就就是是是是表表表
15、表面面面面原原原原子子子子弛弛弛弛豫豫豫豫和和和和重重重重排排排排，而而弛弛豫豫的的机机理理比比较较复复杂杂，最最简简单单的的规规律律是是解解理理面面上上断断键键的的饱饱和和趋趋势势。其其它它如如双双电电层层结结构构、松松散散结结构构等等还还同同极极化化、静静电电力力、原原子子结结合合力等因素有关。力等因素有关。n n清清清清洁洁洁洁表表表表面面面面结结结结构构构构，以以以以偏偏偏偏离离离离理理理理想想想想解解解解理理理理面面面面的的的的程程程程度度度度来来来来标标标标志志志志。研研究究方方法法是是实实验验与与模模型型相相结结合合的的“自自洽洽法法”。根根据据表表面面原原子子的的静静电电状状态
16、态、电电子子波波函函数数等等理理论论上上的的分分析析，提提出出初初步步模模型型，再再经经过过微微观观分分析析，证证实实模模型型并并进进一一步步作作数数据据处处理理，从从而而修修正正模模型型得得到到比比较较接接近近实实际际的的模模型型再再对对照照实实验验经经过过多多次次反反复复，力力求求得得到到比比较较满满意意的的结结果果，使使其其在在定定量量研研究究方方面面的的一一些些“近近似似解解”逐逐步步趋于完善。趋于完善。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.2.1 2.2.1 表面结构的表述方法表面结构的表述方法表面结构的表述
17、方法表面结构的表述方法n n当晶体解理时，由于各种因素的影响，很难得到完整的平当晶体解理时，由于各种因素的影响，很难得到完整的平面结构，如果畸形程度小，可以近似地认为是平面。还常面结构，如果畸形程度小，可以近似地认为是平面。还常常出现一种比较有规律的非完全平面结构，称之为常出现一种比较有规律的非完全平面结构，称之为台阶结台阶结台阶结台阶结构构构构。n n对于平面结构和台阶结构，分别用不同的方法表述。对于平面结构和台阶结构，分别用不同的方法表述。n n根据表面原子的排列，清洁表面又可分为根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫台阶表面、弛豫台阶表面、弛豫台阶表面、弛豫表面、重构表面表面
18、、重构表面表面、重构表面表面、重构表面等。等。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图图图2-2 Pt2-2 Pt（557557）有序原子台阶表面示意图）有序原子台阶表面示意图）有序原子台阶表面示意图）有序原子台阶表面示意图（一）台阶表面（一）台阶表面（一）台阶表面（一）台阶表面(图图图图2-2)2-2)台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成。的表面
19、所组成。的表面所组成。的表面所组成。112111110(001)周期周期为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n n由于由于晶体内部缺陷晶体内部缺陷的存在等因素，使晶体内部应力场分布的存在等因素，使晶体内部应力场分布不均匀，加上在解理晶体时不均匀，加上在解理晶体时外力情况环境外力情况环境的影响，晶体的的影响，晶体的解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理，而是伴随着解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理，而是伴随着相邻的倾斜晶面的开裂，形成层状的解理表面。它们由一相邻的倾斜晶面的开裂，形成层状的解理表面。它们由一些较大的平坦
20、区域和一些高度不同的台阶构成，称为些较大的平坦区域和一些高度不同的台阶构成，称为台面台面台面台面台阶拐结台阶拐结台阶拐结台阶拐结（TerraceTerraceLedgeLedgeKinkKink）结构，简称）结构，简称台阶结台阶结台阶结台阶结构构构构或或TLKTLK结构结构结构结构。n n这类结构比较普遍地发生在一些金属及其氧化物，这类结构比较普遍地发生在一些金属及其氧化物，-族族半导体材料及其化合物晶体的某些晶面上，如半导体材料及其化合物晶体的某些晶面上，如CuCu、AuAu、WW、PtPt、PdPd、Si Si、GeGe、AsAs、GaAsGaAs、ZnOZnO等，其它如某些卤化碱等，其它
21、如某些卤化碱材料的某些晶面上也能观察到。材料的某些晶面上也能观察到。LEEDLEED衍射实验已证明台阶衍射实验已证明台阶结构类型的存在，并可以推算出台阶高度和密度。结构类型的存在，并可以推算出台阶高度和密度。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n n台阶结构中，有时出现拐结，有时不出现拐结。台阶结构中，有时出现拐结，有时不出现拐结。n n通用的台阶结构表述符号为：通用的台阶结构表述符号为：n nE(s)-m(hkl)n(hE(s)-m(hkl)n(h k k l l )（2.2-12.2-1）n n其中：其中：E E代表
22、化学元素符号；代表化学元素符号；s s为台阶结构的标志；为台阶结构的标志；mm为台为台面宽度，以台面上的面宽度，以台面上的原子列数原子列数原子列数原子列数表示，标志了台面的周期；表示，标志了台面的周期；（hklhkl）为构成台面的晶面指数；）为构成台面的晶面指数；n n为台阶高度，以台阶所为台阶高度，以台阶所跨的跨的子层数子层数子层数子层数表示；（表示；（h h k k l l ）为构成台阶的晶面指数。）为构成台阶的晶面指数。n n图图2.2-12.2-1中列举了两种台阶结构。中列举了两种台阶结构。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学
23、图书室育人功能（a a）为）为）为）为Pt(s)Pt(s)4(111)(100)4(111)(100)；（b b）为）为）为）为Pt(s)Pt(s)7(111)(310)7(111)(310)；其台阶出现拐结。；其台阶出现拐结。；其台阶出现拐结。；其台阶出现拐结。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（二）平坦表面（包括弛豫表面和重构表面）（二）平坦表面（包括弛豫表面和重构表面）（二）平坦表面（包括弛豫表面和重构表面）（二）平坦表面（包括弛豫表面和重构表面）n n平坦表面表述方法，一般采用平坦表面表述方法，一般采用Wood
24、Wood（19631963）方法。这种方）方法。这种方法主要是以理想的二维点阵为基，描述发生点阵畸变的清法主要是以理想的二维点阵为基，描述发生点阵畸变的清洁表面点阵结构。畸变后的表面通常称为洁表面点阵结构。畸变后的表面通常称为再构表面再构表面再构表面再构表面，再构，再构是由原子的是由原子的重排重排重排重排和和弛豫弛豫弛豫弛豫所致。所致。n n以理想解理面作为衬底，已知其平移群为：以理想解理面作为衬底，已知其平移群为：T=m T=ma a+n+nb b 其中其中a a，b b为衬底点阵基矢。为衬底点阵基矢。n n再构表面形成的二维点阵达到稳定时也同样具有平移群。再构表面形成的二维点阵达到稳定时也
25、同样具有平移群。T Ts s=m=m a as s+n+n b bs s 其中其中a as s，b bs s为再构表面点阵基矢。为再构表面点阵基矢。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n n表面再构后，其点阵结构同理想二维点阵的偏离主要通过再构表面再构后，其点阵结构同理想二维点阵的偏离主要通过再构点阵基矢点阵基矢a as s，b bs s相对于衬底点阵基矢相对于衬底点阵基矢a a，b b的改变来表述，最简的改变来表述，最简单的情况是单的情况是基矢方向不改变，仅改变大小基矢方向不改变，仅改变大小。此时再构点阵与衬。此时再构
26、点阵与衬底点阵无相对旋转，其基矢两两平行，其长度关系满足：底点阵无相对旋转，其基矢两两平行，其长度关系满足：此处，此处，p p，q q为整数，表示基矢倍数，即为整数，表示基矢倍数，即 在这种情况下，再构表面的表述方式为在这种情况下，再构表面的表述方式为 其中其中E E为衬底元素符号，为衬底元素符号，hklhkl为再构表面的晶面指数。例如为再构表面的晶面指数。例如Si11122Si11122表示表示Si Si的的111111晶面族表面再构基矢晶面族表面再构基矢a as s，b bs s相对于衬底相对于衬底a a，b b无偏转，只有长度变化无偏转，只有长度变化 。为深入学习习近平新时代中国特色社会
27、主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n n较为复杂的情况是，再构表面点阵相对于衬底点阵有偏转，其较为复杂的情况是，再构表面点阵相对于衬底点阵有偏转，其偏转角为偏转角为此时，再构表面点阵基矢与衬底点阵基矢之间已不是简单的倍数关系，而有对于这种再构表面，可表述为为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n n一般情况下，清洁表面均吸附有一定数量的外来原子，当一般情况下，清洁表面均吸附有一定数量的外来原子，当吸附原子已不可忽略，但数量不多，不致于影响表面结构吸附原子已不可忽略，但数量不多，不致
28、于影响表面结构时，在表述中常常标出吸附原子的元素符号，在通式中以时，在表述中常常标出吸附原子的元素符号，在通式中以DD代表，代表，如果吸附原子数量足以构成一个吸附层时，影响了再构表面结构，则在通式中还要有所改变，以后将会讨论。n n当再构表面成为有当再构表面成为有心心心心长方结构时，有时可在再构符号长方结构时，有时可在再构符号pqpq前冠以前冠以“C C”字母表示有心结构，如字母表示有心结构，如C C（2121）表示有心）表示有心2121再构等。通过再构等。通过LEEDLEED衍射实验及理论分析，得到的清洁表面衍射实验及理论分析，得到的清洁表面再构情况，列于表再构情况，列于表2.2-12.2-
29、1中。中。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能材料材料体结构体结构原子序数原子序数（100100）（110110）（111111）AlAlFccFcc1313 (11(11）-5%-5%+2.5%+2.5%Si SiDiaDia1414（2121）（）（2222）（4444）C C（4242）(21)(51)(5(21)(51)(54)4)(71)(91)(71)(91)(21(21）（）（）（）（1111）（7777）FeFeBccBcc2626-1.5%-1.5%NiNiFccFcc2828（1111）+2.5%+2
30、.5%-5%-5%-1%-1%ZnZnHcpHcp303010001000（1111）-1%-1%GeGeDiaDia3232（2222）（）（4242）（）（4444）(21)C(810)(21)C(810)（2121）（）（）（）（2828）MoMoBccBcc4242（1111）-11.6%-11.6%AgAgFccFcc4747-7%-7%WWBccBcc7474-6%-6%PtPtFccFcc7878（1111）（）（5151）（）（520520）1.3%1.3%AuAuFccFcc7979（1111）（）（520520）GaAsGaAs闪锌矿闪锌矿（3131）（）（4343）（）（
31、61)61)C(28)C(61)C(44)C(28)C(61)C(44)C(82)C(82)GaGa（111111）（）（2222）As(111)(22)(33)As(111)(22)(33)表表2.2-1 清洁表面再构清洁表面再构为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能表表中中百百分分数数表表示示表表面面层层原原子子与与衬衬底底原原子子的的原原子子间间距距与与正正常常点点阵阵常常数数的的偏偏离离程程度度。其其中中1111代代表表无无再再构构情情况况，表表中中再再构构均均未列出点阵的相对旋转角未列出点阵的相对旋转角。表表中中
32、数数据据只只表表示示几几种种一一般般观观察察到到的的结结果果，并并无无概概括括性性。其其中中Si111Si111解解理理面面的的三三种种再再构构类类型型是是比比较较有有代代表表性性的的。在在298K298K的的超超高高真真空空（1010-10-10托托）中中解解理理表表面面得得到到（2121）亚亚亚亚稳稳稳稳结结构构，而而650K650K，1010-10-10托托退退火火得得到到稳稳定定的的（7777）结结构构，近近1000K1000K高高温温1010-10-10托托淬淬火火得得到到高高高高温温温温相相相相（1111）结结构构。锗锗（111111）只只有有（2121）亚亚亚亚稳稳稳稳结结构构及
33、及（2828）退退退退火火火火稳稳稳稳定定定定结结构构。一一般般金金属属晶晶体体的表面再构很少出现。的表面再构很少出现。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.2.2 2.2.2 表面原子弛豫表面原子弛豫表面原子弛豫表面原子弛豫n n表面原子由于在某一方向失去相邻原子，可导致偏离平衡表面原子由于在某一方向失去相邻原子，可导致偏离平衡位置的弛豫。弛豫可以发生在表面以下几个原子层的范围位置的弛豫。弛豫可以发生在表面以下几个原子层的范围内。表面第一层原子的弛豫主要表现为内。表面第一层原子的弛豫主要表现为纵向弛豫纵向弛豫纵向弛豫
34、纵向弛豫。n n一般说来，某一原子在某一方向的弛豫，必然引起其它原一般说来，某一原子在某一方向的弛豫，必然引起其它原子以及邻层原子的弛豫。在很多半导体材料以及金属材料、子以及邻层原子的弛豫。在很多半导体材料以及金属材料、离子晶体等材料中均可观察到表面原子弛豫的存在。离子晶体等材料中均可观察到表面原子弛豫的存在。n n表面原子的弛豫，不仅造成了晶体宏观上的膨胀与压缩，表面原子的弛豫，不仅造成了晶体宏观上的膨胀与压缩，而且导致了表面二维点阵的变化，成为再构表面。而且导致了表面二维点阵的变化，成为再构表面。n n原子的弛豫，大致可以分为以下几种类型，即：原子的弛豫，大致可以分为以下几种类型，即：压缩
35、效应、压缩效应、压缩效应、压缩效应、驰张效应、起伏效应及双电层效应驰张效应、起伏效应及双电层效应驰张效应、起伏效应及双电层效应驰张效应、起伏效应及双电层效应。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（一）压缩效应（一）压缩效应（一）压缩效应（一）压缩效应n n表面原子失去空间方向的相邻原子后，体内原子对表面原表面原子失去空间方向的相邻原子后，体内原子对表面原子的作用，产生了一个指向体内的合力，导致表面原子子的作用，产生了一个指向体内的合力，导致表面原子向向体内的纵向弛豫体内的纵向弛豫；如图；如图2.2-22.2-2所示。所示
36、。图图图图2.2-2 2.2-2 压缩效应压缩效应压缩效应压缩效应 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n n在金属晶体表面比较常见，其弛豫一般不超过晶格常数的在金属晶体表面比较常见，其弛豫一般不超过晶格常数的5 51515。如。如Al(110)Al(110)、Fe(100)Fe(100)表面等，尤其是在表面等，尤其是在Mo(100)Mo(100)表表面可观察到比较大的纵向弛豫。这种明显的压缩效应目前面可观察到比较大的纵向弛豫。这种明显的压缩效应目前尚没有满意的解释。尚没有满意的解释。为深入学习习近平新时代中国特色社会主
37、义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能压缩效应有时并不是均匀地发生的，例如在TLK台面上一般发生非均匀弛豫。图2.2-3 中示出了Ge台面的非均匀弛豫。图中1号原子无纵向弛豫，2号原子向体内弛豫0.22，3号原子向体内弛豫0.22，4号原子向体内弛豫0.46，次外层的5号原子向内弛豫0.15。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（二）驰张效应（二）驰张效应（二）驰张效应（二）驰张效应n n在少数晶体的某些表面发生原子在少数晶体的某些表面发生原子向体外移动的纵向弛豫向体外移动的纵向弛豫，
38、造成了晶体的膨胀，例如造成了晶体的膨胀，例如Al(111)Al(111)面的层间距可以增加正常面的层间距可以增加正常间距的间距的2525左右。左右。n n这种情况多由于内层原子对表层原子的这种情况多由于内层原子对表层原子的外推外推外推外推作用，有时也作用，有时也由于表面的由于表面的松散结构松散结构松散结构松散结构所致。即表面层内各原子间的距离普所致。即表面层内各原子间的距离普遍增大，并且可波及表面内几个原子层，造成晶体总体在遍增大，并且可波及表面内几个原子层，造成晶体总体在某一方向的膨胀。如图某一方向的膨胀。如图2.2-42.2-4。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,
39、贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能一般的弛张效应多出现在金属晶体及其化合物表面。图图2.2-4 松散表面结构松散表面结构为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（三）起伏效应（三）起伏效应（三）起伏效应（三）起伏效应n n对于半导体材料如对于半导体材料如GeGe、Si Si等具有金刚石结构的晶体，可以等具有金刚石结构的晶体，可以在（在（111111）表面上观察到，）表面上观察到，有的原子向体外方向弛豫，有有的原子向体外方向弛豫，有的原子向体内弛豫的原子向体内弛豫；而且这两种方向相反的纵向弛豫是有；而且这两种方
40、向相反的纵向弛豫是有规律地间隔出现的。即有起有伏，称之为规律地间隔出现的。即有起有伏，称之为起伏效应起伏效应起伏效应起伏效应。图。图2.2-52.2-5为为Ge(111)Ge(111)表面原子弛豫的起伏现象。表面原子弛豫的起伏现象。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n n在多原子晶体的表面，也存在表面原子的起伏弛豫效应。在多原子晶体的表面，也存在表面原子的起伏弛豫效应。如闪锌矿结构的如闪锌矿结构的GaAsGaA
41、s晶体，原胞体内的四个原子与顶角的晶体，原胞体内的四个原子与顶角的四个原子是异性原子，其四个原子是异性原子，其(110)(110)面概括了两种数目相同的面概括了两种数目相同的不同原子，可以观察到，不同原子，可以观察到，AsAs原子向外弛豫，原子向外弛豫，GaGa原子向内弛原子向内弛豫，形成层间距豫，形成层间距=0.65=0.65的两个表面子层。的两个表面子层。n nGaAs(110)GaAs(110)表面发生的弛豫，沿表面发生的弛豫，沿(110)(110)法线方向进行，但是法线方向进行，但是由于原子的弛豫，使由于原子的弛豫，使Ga-AsGa-As结合键相对于原来方位偏转一结合键相对于原来方位偏
42、转一个角度，偏转角个角度，偏转角 =27=27，因此严重地影响了表面结构。，因此严重地影响了表面结构。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（四）双电层效应（四）双电层效应（四）双电层效应（四）双电层效应n n对于多原子晶体，弛豫情况将更加复杂。在离子晶体中，对于多原子晶体，弛豫情况将更加复杂。在离子晶体中，表层离子失去外层离子后，破坏了静电平衡，由于极化作表层离子失去外层离子后，破坏了静电平衡，由于极化作用，造成了双电层效应。在用，造成了双电层效应。在LiFLiF及及NaClNaCl晶体表面均明显地晶体表面均明显地出现双
43、电层结构。出现双电层结构。n n现以现以NaClNaCl晶体为例说明双电层效应。如图晶体为例说明双电层效应。如图2.2-62.2-6。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能NaCl晶晶体体 离子晶体表面的电子云变形和离子重排离子晶体表面的电子云变形和离子重排为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图2.2-6NaCl2.2-6NaCl表面层中表面层中NaNa+向里；向里；ClCl-向外移动并形成双电层向外移动并形成双电层 晶晶体体内内部部晶晶体体表表面
44、面0.020nm0.281nm0.266nmNaNa+ClCl-为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n n从图中可以看到，当表面离子失去外层相邻离子后，破坏从图中可以看到，当表面离子失去外层相邻离子后，破坏了静电平衡，离子半径较大的负离子，由于体内相邻正离了静电平衡，离子半径较大的负离子，由于体内相邻正离子的极化作用，造成负离子电子云偏向体内的畸变，形成子的极化作用，造成负离子电子云偏向体内的畸变，形成偶极子，使负电中心移向体内。偶极子，使负电中心移向体内。n n为了达到表面层的静电平衡，降低表面能，负离子必须向为了达到
45、表面层的静电平衡，降低表面能，负离子必须向表面上方移动，而同时表面层正离子由于第二层负离子的表面上方移动，而同时表面层正离子由于第二层负离子的吸引向体内移动以达到结构上的稳定。正负离子反向移动吸引向体内移动以达到结构上的稳定。正负离子反向移动的结果，形成了双电层表面。的结果，形成了双电层表面。n n在在NaClNaCl晶体表面第一层的上子层由负离子晶体表面第一层的上子层由负离子ClCl-构成，具有负构成，具有负电性；下子层由正离子电性；下子层由正离子NaNa+构成。所以表面层变成了分别构成。所以表面层变成了分别带有正、负电的电偶极层，使晶体的表面具有负电性。带有正、负电的电偶极层，使晶体的表面
46、具有负电性。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n nNaClNaCl晶体的双电层效应，使晶体在晶体的双电层效应，使晶体在(100)(100)晶面方向发生宏观晶面方向发生宏观的的膨胀膨胀膨胀膨胀，但不是所有的双电层效应都会造成晶体膨胀，有时，但不是所有的双电层效应都会造成晶体膨胀，有时会造成晶体的压缩。例如离子晶体会造成晶体的压缩。例如离子晶体LiFLiF在温度为在温度为573K573K时，虽时，虽然也同样形成了双电层结构，负离子然也同样形成了双电层结构，负离子F F-发生了向外的弛豫，发生了向外的弛豫，但总的效果是但总
47、的效果是F F-向内弛豫向内弛豫0.100.10，LiLi+向内弛豫向内弛豫0.350.35。两子层。两子层之间距离为之间距离为0.250.25。图2.2-6b LiF(001)弛豫表面示意图，Li F 0.1A0.35A为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.2.3 2.2.3 表面再构模型表面再构模型表面再构模型表面再构模型n n表面原子的弛豫，使原子脱离了正常的点阵位置，影响了表面原子的弛豫，使原子脱离了正常的点阵位置，影响了表面结构的变化，其二维点阵与体内原子层的正常二维点表面结构的变化，其二维点阵与体内原子层的
48、正常二维点阵不同，这种阵不同，这种重新排列重新排列的二维点阵，称之为的二维点阵，称之为再构表面的点再构表面的点再构表面的点再构表面的点阵结构阵结构阵结构阵结构。n n由于原子弛豫可以发生在表面以下几个原子层范围，所以由于原子弛豫可以发生在表面以下几个原子层范围，所以表面再构也可以涉及到几个原子层。但是最明显的再构只表面再构也可以涉及到几个原子层。但是最明显的再构只表现在表面最外层原子平面上。以下各层原子平面可近似表现在表面最外层原子平面上。以下各层原子平面可近似认为属于理想的点阵结构。认为属于理想的点阵结构。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分
49、发挥中小学图书室育人功能n n表面原子的弛豫取决于表面断键的情况，首先需要了解各表面原子的弛豫取决于表面断键的情况，首先需要了解各表面原子的弛豫取决于表面断键的情况，首先需要了解各表面原子的弛豫取决于表面断键的情况，首先需要了解各种典型结构的解理表面上断键形成的情况；然后讨论断键种典型结构的解理表面上断键形成的情况；然后讨论断键种典型结构的解理表面上断键形成的情况；然后讨论断键种典型结构的解理表面上断键形成的情况；然后讨论断键对原子弛豫的影响及再构类型。对原子弛豫的影响及再构类型。对原子弛豫的影响及再构类型。对原子弛豫的影响及再构类型。n n表面再构情况相当复杂，影响的因素也很多，很难从理论表
50、面再构情况相当复杂，影响的因素也很多，很难从理论表面再构情况相当复杂，影响的因素也很多，很难从理论表面再构情况相当复杂，影响的因素也很多，很难从理论上根据单一的因素作出全面正确的说明。其主要研究手段上根据单一的因素作出全面正确的说明。其主要研究手段上根据单一的因素作出全面正确的说明。其主要研究手段上根据单一的因素作出全面正确的说明。其主要研究手段是是是是LEEDLEED实验及模型的设计。这里只能简单介绍几种公认实验及模型的设计。这里只能简单介绍几种公认实验及模型的设计。这里只能简单介绍几种公认实验及模型的设计。这里只能简单介绍几种公认的理论与实验比较一致的模型。的理论与实验比较一致的模型。的理