表面结构

表面结构：固体表面几个原子层中原子的排列情况。包括表面单位网格的形状和大小，它相对于基底单位网格的取向，表面单位网格中原子的数目和相对位置（键长和键角等），最外层原子与第二、三……层原子的距离以及表面各层中原子的种类和排列状况等。

简介

晶体中原子排列的周期性在垂直于表面的方向上于表面处突然中断，使表面几层的原子所受内外两侧的力失去平衡，通过自给作用达到新的平衡后，表层原子的键长和键角均与体内不同，一般表现为表层原子沿垂直于表面的方向产生一定位移。位移可向外（膨胀），也可向内（收缩），此称为表面弛豫，表面区中不同原子层的弛豫程度不同。表层内原子新的平衡位置也可表现为沿表面产生了横向移动，而且其二维周期性也与体内不同，此称为表面重构（或表面再构）。表面区内还可能存在各种缺陷，例如空位、填隙原子、阶梯、畴界等各种偏离二维周期性的结构。来自环境的外来原子或分子由于物理作用和化学作用粘附于固体表面的过程称为吸附。吸附物可在固体表面形成无序的或有序的覆盖层。有序覆盖层一般形成重构结构，其二维周期不同于衬底的周期。

研究表面结构的最有效的实验手段是低能电子衍射，此外还有多种其他实验方法（见表面分析技术）。

描述

将一块晶体沿某晶面切开，而不改变切开面附近原子的位置和电子的密度分开，所形成的表面称为“理想表面”,理想表面在自然界是不存在的。在表面附近,由于垂直于表面方向的晶体周期性中断，作用在表面原子内外两侧的力失去平衡，相应的电子密度分布也发生变化，通过表面原子和电子自洽相互作用，使得表面原子和电子分布趋向新的平衡，这个过程叫做表面弛豫。晶体表面附近3～5层原子，其弛豫程度各不相同，形成了晶体和真空的过渡层,它像织边一样镶在晶体的四周,决定着很多重要的表面物理、化学性质。由于织边的存在，及电子向真空区的逃逸，在表面区可以出现电偶极层。

对多数金属清洁表面，表面原子向新的平衡位置弛豫只引起表面法向原子间距膨胀或收缩，而不改变平行于表面的二维周期结构，即所谓的弛豫表面；但是对多数半导体和少数金属晶体清洁表面，弛豫后平行于表面的原子排列的周期结构也发生了变化，改变了周期结构的表面称为再构表面。再构也是弛豫的结果，如Si、Ge、GaAs、Pt、Au都存在再构表面。

晶体表面还经常出现台阶和各种缺陷，由于它对晶体生长和化学催化起着特殊作用，所以近年来很受人们重视，特别对Pt的台阶表面研究得最多。

实际的晶体表面经常吸附着外来的原子或分子（体内杂质也经常通过表面分凝而跑到表层），吸附在表面上的外来原子（或分子）一方面引起基底表面原子的排列发生变化,出现再构表面〔如Si(111)7×7结构吸附少量Au后变成5×5结构〕；另一方面吸附原子(或分子)本身的排列也常常呈不同于衬底的周期结构〔如 Ni(001)上的S，Co呈C(2×2)结构〕。同一晶体的不同晶面，不同温度和不同吸附量经常出现不同的表面结构。

为方便起见，可用二维结晶学的方法来描述表面结构（见表面物理学）。应当指出，原子在表面的排列实际上是三维的。所以用二维结晶学的方法来描述只是个近似，或者说是它在表面上的投影。

常用手段

研究表面结构常用的手段是低能电子衍射，它的理论和实验都发展得比较成熟。此外，也有采用反射高能电子衍射(RHEED)、扫描高能电子衍射(SHEED)和中能电子衍射(MEED)的。最近发展起来的研究手段有角分辨光电子谱、高分辨电子能量损失谱、低能离子散射谱、原子束（或分子束）背散射谱、扩展X 射线吸收精细结构谱、光电子衍射谱、扫描隧道显微镜以及场离子显微镜等，它们从不同方面提供了有关表面结构的重要信息。