(材料表面与界面)

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1、第一章第一章表面与界面的原子结构表面与界面的原子结构第一节清洁表面•在实际条件下，材料表面受到各方面因素影响，从而使表面在结构上、组成上发生改变。•为了研究材料的本征表面特性，清洁表面才能用来进行研究。•清洁表面是相经过特殊处理特殊处理(即保证组成上的确定性)后，保持在超高真空超高真空下的表面(即保证表面不随时间而改变)。•一般清洁表面是指经离子轰击加退火离子轰击加退火热处理热处理后的单晶表面单晶表面。•由于原子在体内部和在表面受到力不同，则引起表面表面原子的排列与内部内部有较为明显的差别明显的差别。•这种差异经过4～6层之后，原子的排列与体

2、内已相当接近，这个距离距离也可以看作是实际清洁表面的范围范围。1.1描述清洁表面原子排列结构的符号•表面原子的排列方式虽然与体内有差别,但表面原子仍作对称和周期性的排列，常看成是二维格子。•结晶学上的概念和规则，二维格子中都适用。但由于维数减少，相应的复杂性也减少，即点群(32→4)、空间群数(230→16)和布拉伐格子(14→5)。伍德标记法•当体内原子的排列，即衬底晶面晶格平移对称性可表示为T=n1a1+n2a2•表面晶格平移对称性为Ts=n1'as1+n2'as2•表面原子的排列是由原子内部排列转化而来，因此表面原子的排列与内部有一定关

3、联。•一般来说a1，a2与as1,as2之间有一定的关系as1=pa1as2=qa2•如果a和a间的夹角同a和a的夹角一样，表面原子的排s1s212列形式转过一个角度α，则伍德简式符号的表示为aas1s2R(hkl)×⋅α−Daa12•伍德简式符号的表示为：Ni(001)2×2−45°−S1.2清洁表面的原子排列•由于表面排列突然发生中断，表面原子受力(化学键)情况发生变化，总效应是增大体系的自由能。•为了降低体系能量(减小表面能)，表面附近原子的排列必须进行调整。•调整的方式有两种：(1)自行调整,表面处原子排列与内部有明显不同；(2)靠外

4、来因素,如吸附杂质,生成新相等。几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图(1)弛豫•表面区原子(或离子)间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞结构基本不变,这种情况称弛豫。•离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，这是一种长程作用。•弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，一认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对称性发生了变化。•表面弛豫后常会存在电矩(电偶极子)。(2)重构•当表面原子排列作了较大幅度的调整，与衬底晶面原子的平移对称性有明显不同，这种表面结构称重构。•重构有两类情况：(a)表面晶面与体内完全不一样，

5、称超晶格或超结构。(b)表面原胞的尺寸大于体内，即晶格常数增大。超结构示意图金(110)表面(1×2)重构的高分辨电子显微像1.3清洁表面的缺陷从热力学上来分析，清洁表面必然存在有各种类型的表面缺陷。(1)TLK表面模型由LEED等表面分析结果证实，许多单晶体的表面实际上不是原子级的平坦,而是如图所示的情形。台级台级上的扭折L-台级，T-平台，K-台级处的扭折，S-表面空位，S-台级处空位，S-表uvLvuA面自吸附原子，S-台级处自吸附原子LA(2)点缺陷在平台上可能存在各种点缺陷，最为普遍的就是吸附(或偏析)的外来杂质原子。由于有表面能，

6、表面原子的活动能力较体内大,形成点缺陷的能量小。因此表面上的热平衡点缺陷浓度远大于体内。表面上的正负离子空位对、空位团簇、杂质空位对(团)也是一种表面点缺陷。(3)线缺陷位错往往要在表面露头,可以将它看作是直径为原子尺寸的一根管道,从体内通到表面。如果是螺位错,则在表面形成一个小台阶。1.4表面原子结构对材料科学与工程的作用功能薄膜的外延生长•功能材料(光、电等)一般都各向异性；晶态时性能指标最佳；•薄膜器件和集成电路需要材料薄膜化；最理想是形成单晶薄膜。•在一种单晶表面上生长出单薄膜称为外延生长。表面上能否生长成一层单晶薄膜极大地取决于表面

7、晶面的晶格常数和缺陷。第二节实际表面•在材料实际应用过程中，材料表面是要经过一定加工处理(切割、研磨、抛光等),材料又在大气环境(也可能在低真空或高温)下使用。材料可能是单晶、多晶、非晶体。这类材的表面称为实际表面。•实际表面中主要关心的是nm~µm级范围内原子排列所形成表面结构特征。材料表面的微结构(组织)、化学成分、形貌、不同形态(形状)材料表面的特点。2.l表面粗糙度•衡量表面平整程度时，当波距小于1mm时，表面出现的不平整性称为表面粗糙度。不同尺寸下观察表面平整性(1)表面粗糙度定量值•当比较不同表面粗糙程度的大小时，需要有定量或测量

8、粗糙程度的方法。•测量方法：选用一条轮廓中线(m),中线是一条理想的线，在此线上粗糙度为零。(a)轮廓算术平均偏差Ra.在取样长度l内,测量表面上一些点距中线m的距