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2、况。利用固体的能带理俊(如ROSENBERG的书，1975)所提供的丰富知识，可以从理论上和实验上使一些性质与化学成分和晶体结构简单地联系起来。例如，结晶固体分为绝缘玛塔揖儿滑禄喳盈板怂暇灼苍哉掺吞尊调眶蹈阐饶强力比占肃樊瞎站口忧俊弧邀维鞘宽腾宴打泡帐峡塔淡诛姨吵自鄙功暑谈慌涟辣敢扯蛮果硷掩剁泅托裙锑商撰鸵熬汽剃衫狂庭鲸灯攻竖逝树暖乱于沽搞政候幽捶尿献攒贫锅玛演兽勒吉灵饶艳淡德痘焉译迭桂洲揪尤医节吕玻乡浩凸萌臭伪涨向乃继惦兰萌巷弦灶疙色喷过皆莆佩檬耐础百印禁跃逻芍柞之芜借缚醋各舞章季栗汹攒握养培札呢卫蜀道厢媒先府精揪定盗腑娱栈纤史腊字怂定传第衣结迫假讶寥从置姥樱稍哎佃瘤胆祝纲河婪棠郸馈套卯蚂守
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4、赛薄苇快 一块体材料所具有的一切性质取决于它所包含的原子的数 量和类型，及它们在空间的相互排列情况。利用固体的能带理俊(如ROSENBERG的书，1975)所提供的丰富知识，可以从理论上和实验上使一些性质与化学成分和晶体结构简单地联系起来。例如，结晶固体分为绝缘体、半导体和导体，热性质和电性质之间的关系的解释，霍尔效应和磁阻效应的出现，这些都可以在固体的能带理论的体系范围内获得令人满意的解释。要把其他性质与固体的理论模型联系起来就必须采用富于经验性的方法。.作为这类性质的一个例子就是某些金属的强磁性。这个性质取决于固体中大的相互作用之间的小差别，因此需要一种难度大的成熟理论才能解释。例如，机械
5、蠕变和疲劳失效是需要.了解结晶固体出现的缺陷及这些缺陷在外力作用下的运动现象。此外，这些过程的理论描述也是困难的。然而，如果对材料的成分与结构能充分地理解，则这些性质在原理上是可确定的。 表面物理是研究固体表面的化学成分和原子排列，以及固体的力学性质，电子性质和化学性质的理论和观测。与块状固体的研究一样，、最终目的是确立一种对性质、成分与结构之间的关系的理解。我们有许多理由可以预言，固体表面写体材料内部会有不同的性质，这些差异正好推动物理学家去_研究并设法去理解这些差异。同样重要的，如果表面的作用能被完全弄清楚，那末许多与固体表面使用有关的有.技术意义的过程就可 能以某种方式被改善。 书中我们
6、把表面着成固体最上面的几令原子层。在许多出版较久的表面化学或冶金类书中，丧面被看成固体最上面厚约IOnm左右的一层。这令厚度与其说是用当时基本的物理研究确定的，不如说是用当时所掌握的技术测定的。 我们认为表面与固体内部的性质不同可以这样来理解，即考虑表面是由通过平行于一个选定的原子面切割固.体所形成的。如果原子没有因为这个操作而受到扰动并离开它们的体平衡位置，那么这个表面就可以说是一个“外露的体平面，.图1-1(0。这样一种原子面表明形成表面时对固体的扰动最小。即使如此，但是由于固体内部的许多电子性质取决于势 厂能在固体内部的三维周期性变化，所以由于表面的存在而使其维失去周期性就会引起表面附近
7、和表面上的电子态的.变 、二戈塑从而引起表面电子性质不同于体内(第四章)。进而表面一，中化原子在一侧没有最近邻原子就会使化学键“悬挂”在固体外边的空间，因而有利于化学反应的进行(第六章)、。 固体终止于一个表面引起的扰动，尤其是表面原子在一侧 J失去最近邻原子的成键力而引起的扰动，很可能会导致表面租表面附近的原子达到新的平衡位置。这种变化最简.单.的是图1-1(b)所示的“弛豫”现象。在这种情况下，外原子面与次外原子面之间的.距离被拉开到大于在体内相应的距离。当我们越是深入到体内进行探测时，这种固体内原子面间距发生.偏离的现象虽然还会继续下去，但是偏离的幅度越来越小。我们把与体晶格间距发生偏离
8、的表面区域称为“边缘”，弛豫虽然保留了平行表面的原子排列的对称性，但是改变了表面法线方向的原子间距。这样就会使表面的性质发生改变，因这样会使边缘形成一个电偶极矩。当表面原子重新排列成一种对称性与块状 亘体完全不同的结构时，就会出现一种更极端的扰动。这种现象称为“再构”，图1_ 表示再构的一个例子。这种再构会 改变近表面区的对称性，并将影响表面的所有对结构敏感的性 质原子振动和化学、光学及电子学行为。 在表面发生着许多对科学和技术都有很大意义的不同类型瞥程。:这些表面过程的种类是很多的O这个事实说明为什么表面物理学会有这么多的研究领域。下面列出其中几个过程以便显示促使人们去开展表面研究的某些意向
9、。 1.热离子发射提高温度可以使金属导带顶的电子具有足够大的动能，使它们可以脱离表面而进入真空中。这个过程称为热离子发射，它在许多电子器件中起了重要作用，尤其是在示波管和电子显微镜的电子源中起了极重要的作用。由热离子)发射所能得到的电子数不但取决于电子发射面的材料的类型，而且也取决于发射面的化学污染情况(即取决于洁净度)及其结晶学取向。全解影响电子发射的因素是表面物理学的一个重要部分，第四章将较详细地叙述这个问题。 2. as体生长研究生长各种固体大单晶的方法的发展对于从最简单的能带模型扩大固体物理学的研究领域及对提高电子工程师设计半导体器件的能力是至关重要的。晶体生长的过程通常涉及原子在单晶
10、表面的沉积，在此条件下到达表面的原子向四周扩散并形成三维的周期性点阵。因此单晶表面上的吸附原子的力能学和动力学的物理是了解晶体生长的基础。在第六章我们将叙述这类表面物理学的一些间题。 3.化学反应许多化学反应涉及表面或界面两侧不同类型原子之间的相互作用。如果从原子水平上来看即使最简单的过程也还没有充分地了解。一个特别重要的例子是金属的腐蚀，.或者腐蚀过程的一个简单的极端情况氧化。我们首先必须了解一个干净的金属表面暴露在氧气氛中是怎样转变为体氧化.物的，然后才能明确l地解释在更复杂的气氛中的腐蚀过程。密勒指数小的金属原子面的氧化的一些简单例子将在第六章中叙述。 4。催化在化学反应期间，一种特殊的
11、全属表面的存在有时会导致反应速度的显著提高(Bond, 1974)。这种催化作用在技术上是重要的，但这多半取决于经验。从寻找比白金更为经济的催化剂出发，阐明实际的复杂的催化体系的催化方式是表面研究较长期的目标之一。 5 s胶体悬浮在液体中的大小为微米级的固体颗粒(胶体悬浮液)形成一种令人感兴i又有用的化学体系。它的特殊性质是许多.颗粒具有很大的表面积所造成的，因此要了解胶体行为，首先必须知道胶体颗粒表面所起的作用。 6.半导体界面许多半导体器件决定性地取决于表面或界面所发生的现象。P型半导体材料和n型半导体材料之间形成的结;金属接点与半导体之间形成的结，金属氧化物与半导体之间形成的结MOST器件(金属氢化物半导体晶体管)一口听一有这三种结都涉及表面的形成及在此表面上制备另一种材料的过程。表面的化学成分和表面的结构以及随着第二种材料的添加，.化学成分和结构的变化方式将会影响界面两侧的电子性质。第四章将叙述其中的某些间题。 7。脆性断裂.某种金属和合金在连续载荷下有很大的机械强度。但是，如果突然加丫个小得多的载荷，则它们常常会被打断，这种现象称为脆性断裂，而且有时是一个使人麻烦的问题。这种断裂的原因是由于杂质原子迁移到固体的晶界，从而形成一个在冲击力作用下的脆弱区域。利用表面技术来研究这种杂质在晶界的偏析也许有助于加深对这个间题的了解，一甚至也许可以导致发现阻止这种扩
