Szilárdtestek felületfizikája

Tartalom

ELŐSZÓ.............................................................................13
Javasolt általános irodalom.............................................15
Néhány fontosabb felületvizsgálati módszer nemzetközi rövidítése ... 16
Egyéb rövidítések ............................................17
1. Az interdiszciplináris felületkutatás (felületfizika) fejlődésének
rövid áttekintése .................................................. 19
2. A felületfizika (felületkutatás) felületfogalma .................... 21
Irodalomjegyzék .................................................... 24
3. Felületek szerkezet- és összetételviszonyai ........................ 25
3.1. Az ideális felületek szerkezete ............................... 25
3.2. Rácsrelaxáció, szuperstruktúrák tiszta felületen .............. 32
3.2.1. A rácsrelaxáció .............................................33
3.2.2. Szuperstruktúrák ..............................................................................38
3.3. A rendezett adszorpciós rétegek ..............................................................42
3.4. Felületi atomok, adatomok kísérleti azonosítása és lokalizációja ..............................................49
3.5. Felületi hibák .................................................................53
3.5.1. A felületi makrohibák ....................................................................53
3.5.2. A felületi mikrohibák ...........................................57
3.5.3. A felületi hibák kísérleti vizsgálata ....................................63
Irodalomjegyzék ...............................................................................................66
4. A határfelületek termodinamikai és statisztikus mechanikai leírása
4.1. Bevezetés ..................................................... 70
4.1.1. A határfelületek elméleti leírásának lehetőségei ..............70
4.1.2. Néhány alapvető termodinamikai fogalom és összefüggés .. 73
4.1.3. A lokális termodinamikai egyensúly (LTE) hipotézise,
feltételei és következményei ......................................................76
4.2. A határfelületi termodinamika Gibbs-féle és újabb elméletei ... 80
4.2.1. A Gibbs-elmélet és diszkussziója ..............................................80
4.2.1.1. A Gibbs-féle felületleírás összefoglalása ..... 80
4.2.1.2. Az osztófelület és a felületi excess mennyiségek ............... 80
4.2.1.3. A felületi feszültség ........................ 81
4.2.1.4. A homogén kétdimenziós felületi fázis ...... 82
4.2.1.5. A felületi szabadentalpia és a felületi feszültség ..................................... 83
4.2.1.6. A Gibbs-féle leírás néhány alkalmazásáról .. 86
4.2.1.7. A Gibbs-elmélet mai szemmel vett hiányosságairól ................... 89
4.2.2. A felületi termodinamikai sajátságok újabb elméletei .. 90
4.2.2.1. A Cahn-féle háromdimenziós homogén felületmodell ....................................... 90
4.2.2.2. A határréteg inhomogenitásának "gradiens termodinamikai" leírása .............................91
4.2.3. Határfelületek szabadentalpiájának és összetételének
egy, a modern termodinamikán alapuló elmélete ......... 92
4.2.3.1. A nemegyensúlyi és egyensúlyi állapotok leírása ............ 92
4.2.3.2. A termodinamikai egyensúlyi állapot feltételei 94
4.2.3.3o Néhány megjegyzés ............................ 96
4.3. A tiszta szilárd elemek, ionos és kovalens kötésű anyagok
felületi szabadentalpiája .................................... 97
4.4. Elegyek határfelületi összetételének és szabadentalpiájának
számítása ...................................................... 102
4.4.1. A határfelületi szegregáció anyagszerkezeti modelleken
alapuló leírása ........................................ 102
4.4.2. Egy egyszerű termodinamikai összefüggés két- és többkomponensű, egy- és többfázisú szilárd elegyek határfelületi összetételére ................................ 103
4.4.3. Szabad felületeken végbemenőffhomogén szegregáció"leírási lehetőségei ..................................... 107
4.4.4. A„heterogén szegregáció leírásának lehetőségei. Oszcilláló szegregáció. Egyszerű felületi szegregációs
szabályok ........................................... 110
4.4.5. A fázishatárok (interface-ek) szegregációjának leírása
és gyakorlati alkalmazásai ........................... 113
4.4.6. A szemcsehatár-szegregáció leírási lehetőségei és
gyakorlati alkalmazásai .............................. 115
4.5. A határfelületek statisztikus mechanikai leírásának rövid
vázlata ..................................................... 118
4.5.1. A rácsgázmodell ...................................... 118
4.5.2. A határfelületek eddigi statisztikus mechanikai leírásának alapjai ..................................... 119
4.5.3. A statisztikus mechanikai leírások néhány eredménye .. 120
4.5.3.1. Kétdimenziós modellek ....................... 120
4.5.3.2. Háromdimenziós modellek ..................... 121
4.5.3.3. Többkomponensű rendszerek .................... 123
Irodalomjegyzék ................................................... 124
5. Felületi elektrodinamika és optika ................................ 128
5.1. Bevezetés .................................................... 128
5.2. Sztatikus elektromos jelenségek felületeken .................. 133
5.2.1. Felületi töltés és kettősréteg ......................... 133
5.2.2. A makroszkopikus leírás korlátai. Felületi elektronállapotok ..............................................134
5.2.3. Fémfelületek; a kilépési munka és a kontaktpotenciál ... 136
5.2.3.1. A kontaktpotenciál ............................137
5.2.3.2. A kilépési munka kísérleti meghatározása ...... 141
5.2.3.3. A kilépési munkát befolyásoló tényezők ........ 142
5.2.4. Félvezető-felületek; kilépési munka, tértöltéstartomány 145
5.2.4.1. Félvezetők kilépési munkája ................... 145
5.2.4.2. A tértöltéstartomány .......................... 145
5.2.5. Félvezető - fém kontaktusok .............................151
5.2.6. Fém - szigetelő határfelületek ..........................156
5.2.7. Kereszteffektusok ...................................... 157
5.3. Felületoptika .................................................159
5.3.1. Elektromágneses hullámok viselkedése két közeg határfelületén ..............................................160
5.3.2. Szigetelőfelületek optikai viselkedése ................. 161
5.3.3. Vezetőfelületek optikai viselkedése .................... 163
5.3.4. Rétegek és rétegszerkezetek optikai tulajdonságai ...... 168
5.3.4.1. Dielektrikumrétegek .......................168
5.3.4.2. Vezetőrétegek ................................. 174
5.3.5. Fényszórás diffúz felületeken-..........................176
5.3.6. Fotoionizáció; fotokatód-felületek ..................... 179
Irodalomjegyzék .................................................... 182
6. A felület elektronszerkezete és rácsrezgései ....................... 184
6.1. A felület elektronszerkezete .................................. 186
6.1.1. A végtelen transzlációszimmetrikus (tömbi) szilárdtest
elektronszerkezete ..................................... 187
6.1.1.1. A tömbi elektronszerkezet ..................... 188
6.1.1.2. Kísérleti módszerek ......................................................192
6.1.2. A felületi elektronszerkezet kísérleti vizsgálata ............194
6.1.3. A felületi elektronszerkezet egyszerű modelljei ................197
6.1.3.1. Történeti áttekintés .......................... 197
6.1.3.2. A lógókötés- (dangling bond) modell ........... 199
6.1.3.3. A jelliummodell (egyszerű fémekre) ............ 206
6.1.4. A felületi elektronszerkezet korszerű számítási
módszerei ..............................................209
6.1.5. A felület hatása a törzsállapotokra .................... 210
6.1.6. Példák a felületi állapotokkal és a felületi kötésállapottal kapcsolatos ismeretanyag gyakorlati alkalmazására ...................................................................211
6.2. Felületi rácsrezgések ................................................................................225
6.2.1. A tömb rácsrezgései ......................................................................225
6.2.2. Felületi rácsrezgések és jelentőségük a gyakorlatban .. 228
6.2.2.1. Hosszúhullámú határeset; felületi akusztikus
hullámok ..........................................................................229
6.2.2.2. Hosszúhullámú határeset; felületi elektromágneses hullámok ..............................................234
6.2.2.3. A felületi rácsrezgések nemkontinuum tárgyalása ............................................................................237
6.2.3. A felületi rácsrezgések kísérleti vizsgálata ....................238
6.2.3.1. Felületi fononállapotok ELS vizsgálata ..............238
6.2.3.2. ATR spektroszkópia ....................................................240
6.3. Az elektronrendszer felületi kollektív gerjesztései ....................241
6.4. Az optikai tulajdonságok mikrofizikája ..............................................242
Irodalomjegyzék ......................................................................................................244
7. A határfelületek és a mechanikai tulajdonságok kapcsolata ..................247
7.1. A szövetszerkezetnek a mechanikai tulajdonságokkal kapcsolatos néhány fontosabb jellemzője ............................................................247
7.2. Alakváltozások és az ezeket befolyásoló felületi hatások ..........250
7.2.1. A képlékeny alakváltozás kapcsolata a kristályráccsal . 250
7.2.2. Diszlokációcsúszás ........................................................................254
7.2.3. Magas hőmérsékleti alakváltozási mechanizmusok ................255
7.2.3.1. Diszlokációkúszás ........................................................255
7.2.3.2. Határ menti csúszás ....................................................256
7.2.3.3. Diffúziós kúszás ..........................................................257
7.2.3.4. Diffúziós üregnövekedés ............................................257
7.2.4. Szabad felületek hatása az alakváltozásra ..........................258
7.2.4.1. Mérethatás egykristályokon ......................................258
7.2.4.2. Vékony bevonatok hatása az egykristályok alakváltozására ....................................................................259
7.2.4.3. Az adszorbeált réteg hatása ....................................261
7.2.4.4. Az oldódás hatása ........................................................263
7.2.5. Belső felületek hatása az alakváltozásra ............................263
7.2.5.1. Kapcsolat az egykristályok képlékenységével .. 264
7.2.5.2. A szemcsemérethatás ....................................................268
7.2.5.3. Testmérethatás ..............................................................270
7.2.5.4. Vékonyrétegek ............................ 270
7.3. Repedések, határfelületek szerepe a törésben ..................................271
7.3.1. Repedésterjedés ..............................................................................271
7.3.2. A törések osztályozása ................................................................274
7.3.2.1. A duktil szakadás #s a gyors hasadás ....................275
7.3.2e2. Fáradási törés ................................................................280
7.3.2.3. Megeresztési ridegedés ................................................282
7.3.2.4. Szemcsehatár menti ridegtörés ..................................284
7.3.3. A töretfelületek vizsgálatának módszerei ..............................286
7.3.4. Törési térképek ................................................................................288
7.3.5. Folyadékbevonat hatása a törésre ..............................................291
Irodalomjegyzék ......................................292
8.Felületi- transzportjelenségek. (Elektromos vezetés és diffúzió) ..297
8.1. Felületi elektromos vezetés ...............................................297
8.1.1. Vékonyrétegek vezetőképessége ....................................................299
8.1.2. Vezetés felületi állapotokban ....................................................307
8.1.3. Félvezetők tértöltési tartományának vezetőképessége .... 311
8.2. Felületi és szemcsehatár menti diffúzió ..............................................315
8.2.1. Felületi és szemcsehatár menti diffúzió fenomenologikus
leírási módszerei ............................................................................317
8.2.1.1. Koncentrációgradiens hatására bekövetkező
diffúziós jelenségek ................................................317
8.2.1.2. Felületi egyenetlenségek hatására bekövetkező
diffúzió ("mass-transfer" módszerek) ....................323
8.2.2. A felületi diffúzió atomi elmélete ..........................................326
8.2.3. Mérési módszerek és kísérleti eredmények ..............................330
8.2.3.1. Felületi diffúzió vizsgálata téremissziós
mikroszkóppal ..................................................................330
8.2.3.2. Kísérleti eredmények és az elméletek összevetése ................................................................................333
8.2.3.3. Empirikus összefüggések, eredmények ......................335
8.2.4. Anyagtranszportot befolyásoló felületi jelenségek ............339
8.2.4.1. Ionok által kiváltott felületi öndiffúzió ..........339
8.2.4.2. Felületközeli anomális diffúzió ..............................339
Irodalomjegyzék ........................................................................................................342
9. A szilárdtestfelület kölcsönhatása irányított részecskékkel .........345
9.1. A részecskeáram - szilárdtest kölcsönhatás leírására szolgáló
alapfogalmak ....................................................................................................345
9.1.1. Energiaveszteség, fékezési hatáskeresztmetszet, behatolási mélység, deponált energia ..............................................346
9.1.2. Kölcsönhatási potenciálok ............................................................360
9.1.3. Ütközési és fékezési hatáskeresztmetszetek ..........................364
9.2. A rugalmas és rugalmatlan fékeződés elmélete ....................................366
9.2.1. A rugalmas ütközések klasszikus közelítése ..........................366
9.2.2. A rugalmas fékezési hatáskeresztmetszet számítása ............372
9o2.3. A rugalmatlan fékeződés hatáskeresztmetszetének félempirikus és elméleti számítása ............................................374
9.2.3.1. A protonveszteség félempirikus formulái .... 374
9.2.3.2. Nagy rendszámú ionok félempirikus formulái . 375
9.2.3.3. A rugalmatlan fékeződés elméleti leírása ... 377
9.3. Az ionporlasztás .......................................................................381
9.3.1. A porlasztási folyamat jellemző paraméterei és néhány
kísérleti adat a fontosabb porlasztási típusok esetére 384
9.3.2. Az ionporlasztási folyamat elméleti leírása a lineáris kaszkád tartományban ..........................................................394
9.3.3. Az ionporlasztási folyamat számítógépes szimulációja . 401
9.4. Az ionimplantáció és a vele rokon téchnológiák fizikai alapjai ....................................................................................................................405
9.4.1. Az ionimplantációs technológia jellemzői ..........................405
9.4.2. A rácskárosodások gyógyítása ..................................................409
9.4.3. Az implantált rétegek minősítése ..........................................411
9.4.4. Az ionimplantáció alkalmazásai ..............................................412
9.4.5. Implantációval rokon eljárások ..............................................415
9.5. Elektronemisszió és a hozzá kapcsolódó folyamatok ........................417
9.5.1. A hőmérsékleti emisszió ...........................................................417
9.5.2. Elektronemisszió elektrosztatikus tér hatására
(hidegemisszió) .........................................419
9.5.3. Elektronindukált emisszió ........................................................420
9.5.4. Nehéz ionok hatására bekövetkező elektronemisszió .... 423
9.6. Semleges részecskenyalábok ...................................................429
Irodalomjegyzék .......................... . .................431
10. A szilárdtest - gáztér kölcsönhatás néhány felületfizikái vonatkozása ...................................................................437
10.1. A gáztér jellemzése. A vákuum ................................................437
10.2. Adszorpció és deszorpció ..................................................441
10.2.1. Alapfogalmak ..................................................................................441
10.2.2. Az adszorpció és a deszorpció hőmérséklet- és időfüggése ............................................................................................443
10.2.3. Az adszorpció és a felületi érdesség kapcsolata ............446
10.2.4. Az adszorpció és a deszorpció egyensúlyának termodinamikai elmélete ..........................................................................447
10.2.5. Az adszorpciós energia és az adszorpció felületi
többletenergiát módosító hatása ............................................448
10.2.6. Az adszorpciós kötés ..................................................................450
10.2.7. Deszorpció vákuumrendszerekben .......................456
10.3. Felületi reakciók ........................................................................................458
10.3.1. Oxidáció ..........................................................................................458
10.3.2. Katalízis ........................................................................................461
¦
10.4. Indukált deszorpciós folyamatok .......................................464
10.4.1. Elektronindukált deszorpció.....................464
10.4.2. Lézerindukált gáz - felület kölcsönhatások ......................466
Irodalomjegyzék ....................................................468
11. Az adhéziós kötés .........................................................470
11.1. Bevezetés ....................................................................470
11.2. Az adhéziós mechanizmusok ......................................................................471
11.2.1. Mechanikai kapcsolódás ............................................471
11.2.2. Elektrosztatikus kapcsolódás ................................................472
11.2.3. Diffúziós kapcsolódás ..............................................................473
11.2.4. Adszorptív (fizikai adszorpció jellegű) kötés ..............474
11.2.5. Kémiai kötés .................................................478
11.2.6. Az elméleti megközelítés korlátai .............. 479
11.3. Fém -fém adhézió ......................................................................481
11.4. Fém -nemfém kötés ...........................................................487
11.5. Polimer és acél közötti adhézió: a polimer szilárdulási folyamata ........................................................................................491
Irodalomjegyzék ......................................492
FÜGGELÉK .......................................................................494
Fontosabb állandók .............................................................494
Az energia különböző egységrendszerekben vett mértékegységeinek
átszámítási tényezői .........................................................................495
Elemek fizikai adatai I. ..................................................................................495
Elemek fizikai adatai II.........................................493
A nyomás egységeinek átszámítási táblázata ................................500
Izotópgyakoriság-táblázat ...................................................501
Az elemek kilépési munkája (Wk).................................506
Kilépésimunka-változás W-ra felvitt különböző monorétegek esetén .. 508
Néhány katódként használt anyag elektronkilépési munkája ......................508
TÁRGYMUTATÓ...................................513

Témakörök