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考试
1什么是表面态、什么是表面分子?
他们的相互关系和各自使用的场合?
答:
(1)表面态:
与体相能级不同的那些定域的表面电子能级
(2)表面分子:
在某一方面具有活性的微观表面原子或原子基团
(3)一般来说,在处理半导体时,按表面态和刚性能带模型来描述表面是最有效的,表面态模型以定域分子轨道描述为基础的模型出发引出表面态能级;刚性能带模型以离域能带近似法为基础的模型出发引出表面态能级。
用固体中存在能带这一观点改造过的表面位置模型,或用局部化学过程改造过的表面态模型就可以解释这些特征。
单纯用同一种模型完全满意的描述表面性能场合是很少见的。
2详细说明固体表面可能成键的类型、性质和键能量级。
共价键
配位键
离子键
氢键
短程键
能量
Kcal/mol
10~100
>60
>5
<5
1/r4
1/r61~2
定域性
定
非
定
定
定
作用力
强作用
强
强
强
弱
3什么是Lewis酸位,Bronsted酸位,他们在什么条件下可以相互转换?
答:
Lewis酸位是一个对电子对具有高度亲和力的空轨道位置;Bronsted酸位给出质子的位置。
Lewis酸位和Bronsted酸位在水存在条件下可以相互转换
4说明外来粒子在半导体表面上离子型吸附和共价型吸附的不同
答:
离子型吸附
共价型吸附
吸附质与固体的导带或价带进行电荷交换
固体与吸附质之间没有电荷交换
形成离子型键,对电荷可能在固体的很远处
一对一成键
非定域性
定域性
随着离子类型的不同,交换可能出现在价带、导带或禁带
固体表面原子轨道的几何构型(尤其过渡族金属)非常重要
5什么是固体表面的弛豫、重建和重新定位?
答:
弛豫一词用于表面原子层垂直表面的移动。
清洁表面上所观察到的弛豫总是从“正常的”晶格位置朝向晶体的,表现为表面原子与底物的一些原子形成较强的键;“重建”一次用于描述平行于表面的移动,特别是能产生周期性间隔的移动;“重新定位”属更为一般的词汇,意思是晶格位置移向一个未必很确定的构型。
6什么时偶电层?
它对固体表面的化学和电化学性质有何影响?
答:
偶电层是指一个有一定厚度的电荷不均匀区,在此区域内厚度方向上电荷密度有相当大的变化。
在表面,双电层的发展情况强烈影响固体的性能,包括其电学和化学性质。
半导体及绝缘体的电学性质在许多方面为双电层所支配。
例如,双电层的形成表示将电荷注入半导体能带或从中抽出;两种固体材料存在的功函差;半导体的光电响应,双电层对光生电子-空穴的分离、扩散有影响,表面出的偶电层对复合率有决定性的作用;固体表面的化学性质也取决于双电层。
7什么是空间电荷层?
指出偶电层和空间电荷层的区别?
答:
在靠近表面处,具有不可移动电荷的区域,由于空间电荷的存在,此区域的载流子耗尽,因此也称耗尽层。
空间电荷区与带有异性电荷的表面或空间电荷层组成偶电层。
空间电荷层:
在相互接触的半导体中,正负电荷并非一一对应,而是一个范围,有一定深度的,称为空间电荷区。
空间电荷区与吸附层共同作用的,称偶电层。
8什么是耗尽层?
什么是累积层?
什么是反型层?
说明它们的形成原因及对固体表面的影响(侧重电学性质)。
答:
耗尽层(倒空层):
由固定离子引起的空间电荷。
耗尽层不导电,无电荷交换
累积层(聚集层):
当强还原剂把电子注入n型半导体或强氧化剂把空穴注入(将价电子抽出)p型半导体时,形成一个累积层。
表面很强的还原性或氧化性,导电能力很强
反型层:
当n型半导体表面出现很强的氧化剂(受主表面态),或p型半导体表面出现很强的还原剂(施主)时,就出现另一个极端,此时多数载流子为表面所俘获,但表面态是如此活泼,以致它们也注入少子。
9什么是功函,说明利用Kelvin探针方法测量功函的原理及应用。
答:
功函数是自由电子能量Ee和Fermi能级Ef之差。
原理:
ZnO被测材料,已知功函的振动电极放在被测材料附近形成平行板电容器。
Va样品与参考电极间的功函差,Q是表面上的电荷,C是电容。
参考电极振动,电容随时间周期性变化
Q=CVa
i=dQ/dt=VdC/dt电荷的微商变为可测量的交流电流i。
振动电极产生交流电压,变动直流电压可将其调到零。
当交流电压为零时,表头读出表面电势。
应用:
适合贵金属、清洁表面的测量;Kelvin探针技术研究功函和表面光伏
10说明表面电导测试原理,结合图3.2说明倒空层(耗尽层)、累积层、反型层对表面电导的影响。
答:
由于空间电荷区载流子浓度的变化,表面方向上电导G将发生变化。
△N和△P作为Vx的函数,可积分得
对于n型半导体,平带时=0;
耗尽层:
Vs为正,导电电子较少,△G较低,因此<0
累积层:
Vs为负由于有额外的电子运载电流,因此<0
反型层:
Vs为负,进一步增大,空穴导电开始,增大,>0
11说明场效应测量方法可以提供哪些信息。
答:
相对于表面电导方法,在垂直样品表面施加一个电场,测量感应电荷引起的电阻的变化。
获得有关空间电荷区和表面态的信息
场效应为表面电导的测量提供一个校准点。
由电导变化的符号可以立即决定表面是n型还是p型。
常常是场效应测量和表面电导测量相结合:
表面电导测量提供Vs,场效应测量提供Qss(表面态捕获的电荷量)
12说明表面电导测量方法可以提供哪些信息
答:
表面电导测量提供Vs
粉末电导:
测量电导对温度的关系,得到可以解释有关表面势垒和导致它的表面态的资料
13说明表面光电压谱的测量原理;并列举两种表面光伏测量方法。
答:
表面光电压谱的测量原理;
n型半导体未接受光照时带弯Vs1,某一波长的光照到材料表面,产生光生电子进入导带,空穴移到表面,此时带弯Vs2.
两者差值即为此波长下的表面光电压。
改变入射光的波长,得表面光电压谱
方法:
表面光电压谱和瞬态表面光伏检测。
14利用表面光电压谱测量材料的禁带宽度。
答:
Eg=1/λ(nm)*1240=1/390*1240=3.18eV
15说明染料敏化光电气敏的测量原理。
答:
光电气敏的检测原理基于粉末电导的测量:
将粉末样品压片,在光照条件下将样品置于待测气氛中,测量其电阻或电流,相对于没有待测气体的电阻或电导的比值就是气敏响应。
光照可以加快气体在样品表面的吸附与脱附,增强样品对待测气体的响应能力。
染料可以增大样品对光的吸收,并且将对可见光没有吸收的样品的吸收波长延伸至可见光区。