Szilárdtestek felületfizikája (Felületfizika fejlődésének rövid áttekintése; Felületkutatás felületfogalma; Felületek szerkezet- és összetételviszonyai; A határfelületek termodinamikai és statisztikus mechanikai leírása; Felületi elektrodinamika-optika..)

Összefoglaló

275 fekete-fehér ábrával illusztrált. Tankönyvi szám: 61366.

ELŐSZÓ

A mai felületkutatás interdiszciplináris tudományterület (szokásos a "surface science" megnevezés), amely határfelületi rétegek általános értelemben vett szerkezetével, fizikai, kémiai tulajdonságaival és folyamataival foglalkozik Bár e tudományterület számos részét (pl. félvezető- és vékonyréteg-szerkezetek, szemcsehatárok, katalízis, korrózió, biomembránok) jelenleg önálló tudományterületként művelik, az alapvető felületi tulajdonságok, felületi folyamatok korszerű leírása a teljes jelenségkörre egységes gondolkodásmódot, elméleti és kísérleti módszereket, formalizmust, egységes tudományterületként való kezelést tesz célszerűvé, ill. követel meg. A szilárdtestfelületekre általánosan érvényes fizikai és fizikai kémiai törvényszerűségekkel foglalkozik mai felfogásunk szerint a.szilárdtest-felületfizika (általánosabb meghatározással felületkutatás). E megközelítés érdekében célszerű határfelületnek tekinteni minden, a felület mentén makroszkopikus, kvázikétdimenziós szilárdtestfelületi réteget, amelyben a felületre merőleges irányban a szerkezet és összetétel folytonosan változik, valamint határfelületi jelenségnek tekinteni minden olyan jelenséget, amely e rétegek fizikai, fizikai kémiai tulajdonságait befolyásolja. A felületkutatás a miniatürizálás erőteljes előrehaladása, a vékonyréteg-technika általánossá váló alkalmazása, valamint a szemcsehatároknak a fémfizikában meghatározó szerepe miatt a szilárdtestfizika fontos részévé, a technológiai tudománynak pedig nélkülözhetetlen alapjává vált. A könyv célja, hogy a fémipar, a mikroelektronika, a vákuumtechnika, a katalízis, a korrózió területén egyre nagyobb jelentőséghez jutó felületi, határfelületi problémák műszaki fizikai alapjait egzaktan, alkalmazásait pedig a gyakorlati feladatoknak megfelelően, alkalmazási példákként tárgyalja, különös tekintettel a hazai korszerű ipari programokra. Munkánkban néhány alapvető témakört érintettünk, elsősorban azokat, melyeden saját közvetlen tapasztalattal is rendelkezünk, A felületfizika (felületkutatás) tárgykörök, ill. megközelítési módszerek tekintetében a szilárdtestfizikához hasonlóan csoportosítható. A makroszkopikus közelítések (felületek termodinamikája, elektrodinamikája) mellett a felületek kristály- és hibaszerkezete, elektronszerkezete és lokális állapotai, a felületi rácsdinamika, a felület optikai és dielektromos, mágneses, ill. szupravezető tulajdonságai, a felületi transzportjelenségek, valamint a különböző alkalmazások (adszorpció, vákuumfizika, ill. -kémia, katalízis, felületi reakciók, korrózió, kondenzáció, adhézió, nedvesítés, porkohászat, MIS rendszerek, vékonyrétegek, fraktográfia, ion-szilárdtest, plazma-szilárdtest kölcsönhatás stb.) képezik a lehetséges tárgyköröket.

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