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Interfaces

  通常指固体与其他物质接触的边界层。有固体-气体、固体-液体以及固体-固体界面之分。界面不是几何学上抽象的平面或曲面,而是具有一定厚度的边界层。因此,界面是两个均匀相之间具有不均匀性的过渡层,它取决于这两个均匀相之间的热力学平衡条件,两个均匀相之间的接触势差主要降落在界面层。在界面层中,原(离)子的组分比例、排列方式、原(离)子间电子电荷转移的数量,因而其化学键特征都同体内的情形有所不同,以适应界面层中电势的分布。所以,在界面层中电子的状态,电子气的等离子体振荡,原子振动模式以及它们同电磁场相互作用形成的耦合场振动模式都具有不同于体内的特性。在有杂质和缺陷时,它们在界面层的分布和聚合情况也同体内有异。这一切导致界面层的物理和化学性质同界面两侧均匀相的性质相比,显得具有特殊性。对于这些界面物理的基本问题,人们虽有一般的了解,而结合具体对象作详细研究才是极有意义的。由于界面物理同半导体微电子学、光电子学、催化、防腐蚀、能源转换和贮能等技术有密切关系,因而界面物理是目前很活跃的研究领域。

  最简单的界面是固体-真空界面,称为固体表面。研究表面原子结构、弛豫和再构,表面各种粒子的运动状态(见表面振动)以及有关物理性质,表面吸附和脱附的动力学过程,这是所有界面物理的基础。

  固体-固体界面有着丰富的内容和重要的技术意义。金属(M)-半导体(S)界面形成肖脱基势垒,金属(M)-绝缘体(I)-半导体(S)的 MIS结构中在界面半导体侧形成的导电沟道,它们是半导体器件和集成电路的物理基础。在金属(M)-氧化物(O)-硅(S)的MOS结构的反型层中存在着二维电子气具有独特的物理性质。在MIM结构中,如果绝缘层I很薄,温度又极低以致一种M或两种M都变成超导体,这时超导体中的正常电子或超导电子都可能穿过绝缘层产生隧道电流,呈现非线性的电流-电压特性(见超导体的单电子隧道效应),为低温固体物理及其应用开辟新领域。利用分子束外延技术在固态衬底上依次淀积不同的半导体的薄层,能形成近乎理想的原子层界面,即过渡层非`x常薄。这是半导体界面研究的新对象,也是超点阵(见超结构)材料和异质结器件的基础。以某些无定型材料(如SiO2或Al2O3)作为载体,在其上面淀积过渡金属(如Ni)就是一种固态催化剂。现已知道,在催化过程中起重要作用的是界面或表面上活性位置,而这些位置与界面或表面结构、缺陷和表面化学过程密切有关。

  界面的结构对固体的力学性质有重要影响。同一物质的不同取向单晶体之间连接部分形成低角晶界,这是由一系列刃型位错组成的晶粒间界。用电子显微镜可直接看到沿低角晶界的位错分布。这些位错的共同运动可导致晶界移动。与完整晶体相比,晶界和位错对原子扩散的阻力较小。沿晶界的扩散对某些固溶体的脱溶分解的速率起控制作用。晶界还常起收集杂质的作用。此外,还有大角晶界,密堆积结构中的堆垛层错(见面缺陷)等。

  固体-液体界面涉及到润湿表面张力、腐蚀等实际问题。 而固体-电解液界面则是电化学过程的研究对象,由于这类界面在能量转换和贮能技术上有价值,吸引了物理学家的注意,越来越多用物理学的手段探索固体-电解液界面的电化学过程的机理。

  参考书目

  L.J.Brillson,The Structure and Properties ofMetal-Semiconductor Interfaces,Surface Science Reports,Vol.2, 1982.

  T.E.Furtak, K.L.Kliewer and D.W.Lynch eds.,Non-traditional Approaches to the Study of the Solid-Electrolyte Interface,Surface Science,Vol.101, 1980.

  T.Ando,A.B.Fowler and F.Stern, Rev.Mod.Phys.,Vol. 54, No. 2, 1982.

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