材料功函数评价的实验与计算方法研究进展

材料功函数评价的实验与计算方法研究进展

功函数是材料表面的基本性质，决定了电子在材料中的行为。它在表面科学中是了解腐蚀速度和制造光敏和电子发射器件的界面工程的关键因素。本文综述了材料功函数评价的实验与计算方法研究进展，探讨了各种测量方法的优缺点，并展望了未来的发展方向。

功函数的定义与影响因素

实验和理论结果表明，功函数取决于电子热容、晶格热膨胀、杨氏模数、摩擦、粘着、表面能、断裂韧性、腐蚀以及屈服强度和硬度。

根据二十世纪科学家的说法，功函数(材料表面的基本性质)是从材料表面提取电子所需的最小能量。它对温度、表面偶极、掺杂和电场等物理因素的依赖是不可低估的，正如二十世纪的作者所研究的那样，镜像势对材料的功函数有贡献，而这个功函数取决于温度。

此外，实验和理论结果表明，功函数取决于电子热容、晶格热膨胀、杨氏模数、摩擦、粘着、表面能、断裂韧性、腐蚀以及屈服强度和硬度。功函数决定了电子在材料中的行为，在表面科学中仍然是了解腐蚀速度和制造光敏和电子发射器件的界面工程的关键因素。O.C. Olawole[1]等人讨论了用于功函数测量的各种实验方法和理论模型，并讨论了它们的优缺点。

功函数的测量方法

根据现有功函数测量方法的报道，开尔文探针力显微镜(KPFM)是比其他实验方法更适合的测量方法。从文献中观察到，能够预测不同金属功函数的计算方法具有较高的计算量。然而，稳定的Jellium模型(SJM)有可能预测过渡金属、简单金属、稀土金属和内过渡金属的功函数。金属等离子体模型(MPM)可以预测多晶金属，而密度泛函理论(DFT)是预测材料最低和最高功函数的通用工具，但计算量较大。

高通量密度泛函理论和机器学习(HTDFTML)工具适用于预测极端材料表面的最低和最高功函数，计算成本较低。结合贝叶斯机器学习和第一原理的方法(CBMLFP)适合于以很低的计算量预测材料的最低和最高功函数。因此，可以用HTDFTML和CBMLFP来研究复合材料的功函数和表面能。

图1. (A)半导体的能量分布和(B)金属的功函数。[1]

可以说，在较低温度下工作的功函数较低的材料会释放更多电子。因此，功函数在许多应用中具有巨大的技术重要性，如热离子能量转换器，印刷和有机电子，新兴钙钛矿太阳能电池技术荧光灯管，电子发射小工具(太赫兹源)，使用电子源的科学仪器，催化，电化学，以及作为材料的界面诊断工具。如果材料是机械、化学和热稳定的(六硼化钨和六硼化镧)，最好是用于热离子能量转换器的低功函数的硫化金属，则这些新的应用是可以实现的。

图2. 热离子能量转换器的热离子电子发射示意图。[1]

测量具有空间分辨率和良好可靠性的材料的功函数是先进技术应用的表面表征的主要障碍。材料功函数的测量技术大致可以分为两类。第一类是基于电子发射过程，功函数是在绝对尺度上测量的。使用不同的方法来模拟材料的表面，例如热发射(热离子发射)、光电发射(紫外光电子能谱(UPS)和光电效应)、场发射(外加电场)或这些方法的组合。

第二类测量不同金属之间的功函数差异(开尔文探针力显微镜(KPFM))或在类似于吸附过程的表面修饰过程中。使用这些技术测量功函数是相对的，通常需要标准参考功函数计算。KPFM和XPEEM是最有前途的、准确的、可靠的和强大的工作功能测量技术。

此外，与其他模型相比，金属等离子体模型可以预测简单跃迁、内跃迁和稀土金属的功函数。然而，稳定的Jellium模型(SJM)具有预测过渡金属、简单金属、稀土金属和内过渡金属的功函数的潜力。

[1] O.C. Olawole, D.K. De, O.F. Olawole, R. Lamba, E.S. Joel, S.O. Oyedepo, A.A. Ajayi, O.A. Adegbite, F.I. Ezema, S. Naghdi, T.D. Olawole, O.O. Obembe, K.O. Oguniran, Progress in the experimental and computational methods of work function evaluation of materials: A review, Heliyon, 8 (2022) e11030.