PDF《表面熔化 3》

3 国家攀登计划资助项目

1998 -

09 -

14 收到初稿 ,1998 -

10 -

28 修回 1) 北京科技大学应用物理系教师 ,中国科学院物理研究所 博士后 表面熔化3 王凤平1) 李晨曦 陆坤权 (中国科学院物理研究所 北京 100080) 摘要对近年来人们十分关注的表面熔化问题 ,从理论和实验上进行了综述性讨论.

综述了一些金 属晶体、 冰及石墨吸附 Ar 膜表面熔化的特征及其热力学理论解释. 评述了半导体 Ge (111) 表面熔化的 独特性质. 关键词 表面熔化 ,结构相变 ,类液层 SURFACE MELTING Wang Fengping Li Chenxi Lu Kunquan ( Institute of Physics , The Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080) Abstract The theory and experiments on surface melting of solids which has attracted consider2 able interest are reviewed. The characteristics of surface melting of some typical metals ,ice and Ar film adsorbed on graphite are discussed. The specific behavior of surface melting of Ge(111) is also described. Key words surface melting ,structural phase transition ,quasi - liquid layer

1 引言 结晶和熔化是自然界中极其普遍的物理现 象 ,早已为人们所熟知. 当晶体温度达到熔点 ( Tm) 时 ,便开始熔化 ,发生有序到无序的结构 相变. 其相反的过程即为结晶. 液体常常可以保 持到低于熔点仍不结晶 ,即为过冷液体. 然而 , 一般观测不到晶体超过熔点不发生熔化 ,即过 热晶体不存在. 为什么晶体不会过热是长期以 来人们感兴趣的问题. 这必然涉及到熔化机制 和熔化如何开始. 关于熔化机制 ,已进行了很多 研究工作 ,但很难获得满意的严格理论模型. 早在1910 年,Lindemann 提出的判据仍是比较普 遍接受的观点. Lindemann 判据认为 ,晶体中原 子热振动振幅均方值达到原子间距的

10 %时 则发生熔化. 然而 ,近年来关于晶体表面熔化问 题的研究却取得了重要进展. 表面熔化 (surface melting) 定义为 :在接近 Tm 时 ,晶体表面发生 的连续、 可逆的有序 - 无序转变. 表面熔化意味 着原子实际上已移出点阵位置 ,使表面区域形 成一层类液层 (quasi - liquid layer) . 类液层的 结构、 动力学和输运性质介于固体和纯液体之 间. 正是晶体某些表面在熔点温度之下就开始 了表面熔化 ,为解释晶体熔化不需要过热的原 因提供了依据.

2 表面熔化的实验研究 在本世纪初 ,人们就开始了表面熔化的实 验研究. 然而 ,由于实验技术落后 ,所用的大部 分仪器灵敏度都比较低 ,探测不到微观的熔化 ・

5 6

2 ・

28 卷(1999 年)

5 期 厚度 ,尤其是不能完全消除表面杂质的污染 ,因 此对表面熔化的研究一直没有实质性进展. 直到1985 年才首次在原子尺度清洁的 Pb (110) 表面直接观测到了表面熔化现象[1 ] . 所用的实 验手段是质子的卢瑟福背散射 (RBS) 并结合双 对准技术. 这一结果引起了人们的很大兴趣. 许 多人先后对晶体的某些晶面用多种实验手段对 表面熔化作了研究 ,如吸附在石墨单晶上的 Ar 膜、 六角晶体冰的棱柱面、 面心立方金属 (如Cu ,Al ,Au ,Ag 等) 开放的 (110) 、 (112) 和(113) 等晶面以及半导体 Ge 的(111) 晶面等都观察 到了表面熔化现象.

211 面心立方金属的表面熔化 图1面心立方晶体几个低指数 晶面的理想表面原子位置 早在

1976 年 ,人们就在超高真空条件下观 察到了球状单晶铜的表面熔化[2 ] ,并且发现液 体层厚度随温度的增加而逐渐增加. 后来的研 究进一步证实了这一结论. 研究发现 ,表面熔化不仅与晶体结构有关 , 而且与晶面取向密切相关. 图1所示为面心立 方晶体几个低指数晶面的理想表面原子位置 , 按原子排列方式的不同分为封闭晶面和开放晶 面. 研究表明 ,面心立方金属的封闭 (111) 晶面 以及取向接近它的晶面直到熔点保持有序状 态 ,而其开放(110) 晶面以及取向接近它的晶面 则具有明显的表面熔化. 图2所示为 Pb (110) 和(111) 晶面的质子 背散射谱[3 ] , Pb 晶体熔点为