表面工程技术材料表界面物理基础.ppt

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1、第二章材料的表界面物理基础HarbinEngineeringUniversity材料科学与化学工程学院孟国哲表面与界面的定义界面(Interface)：不同物质之间，或同一物质、不同聚集状态之间的过渡区。表面(Surface)：凝聚相与气相之间的界面；相界面(Interphasesurface)：不同凝聚相之间的界面；晶界（grainboundary）：而同一凝聚相晶粒之间的界面简称为晶界。理想表面：是指在无限大的完整晶体中插入一个平面，将其分成两部分后形成的表面。理想表面上的原子、分子或离子(以下简称原子或质点)，具有二维周期对称排列的特点。再构表面：实际

2、上，由于晶体内部的周期对称性在表面的突然中断,将引起表面原子偏离理想的二维周期对称排列,形成了原子的重新排列。清洁表面：不发生吸附、催化或杂质扩散的再构表面，称为；实际表面：以再构表面为基础，吸附同质或异质原子后形成的表面称为。金属表面的实际构成2.1静态表面原子结构1.二维点阵在三维晶体学中，常用构成晶格(或空间点阵)的最基本单元—晶胞,来描述晶体中原子在空间的排列形式。由于固体表面的原子排列具有周期对称性，因此也可用最基本的几何单元在二维平面拼接成反映表面原子对称排列的二维点阵，这种几何单元称为布拉菲格子或原胞。原胞同时满足平移对称性和点对称性(旋转对称

3、；反映对称)。二维点阵的原胞类型2.理想表面晶体结构3.再构表面与实际表面理想表面，只是一种理论上结构完整的二维点阵平面。由于表面上电子波函数的畸变，使原子处于高能量状态，因而易于发生弛豫和重排，形成偏离理想点阵的再构表面。对再构表面进一步修正后，即可用来表示实际表面。表面重构与弛豫表面的再构（重构）现象往往是表面原子的弛豫（表面原子受力情况与体内不同，因而常常会有相对于表面的位移，以使系统能量降低）和原子吸附有关，由低能电子衍射（LEED）实验结果可以得到表面再构的几何规律，但是导致再构的原因仍然在探索之中.----黄昆《固体物理学》C.基泰尔（Charl

4、esKittel）《IntroductiontoSolidStatePhysics》如果表面是清洁的，最外原子层（顶层）既可能重构，也可能不重构。对不重构的表面，除了表面的最外原子层间距有变化（称为多层弛豫）之外，其原子的排列与体相基本相同。研究发现，相对于体相原子层的层间距来说，表面第一原子层与第二原子层之间的层间距是缩小的。……可以把表面当成双原子分子与体相结构之间的一个过渡区。但是，由于双原子分子中的原子间距远小于体相中的原子间距，所以在表面弛豫现象中一定存在着新的机制。表面弛豫与表面重构截然不同。重构通常表现为产生新的表面原胞；而在弛豫现象中，原子在

5、表面结构中保持其原有的结构不变，只是原子间距与体相相比略有差异，就弛豫本身而言，它是对体相晶胞（作用于表面）的一种反作用。再构表面的表示方法衬底(基体)元素用E表示，衬底基矢为as和bs,再构基矢为as′和bs′，∣as′/as∣=p,∣bs′/bs∣=q，再构基矢相对衬底基矢的偏转角为α，当理想表面衬底为平坦表面时，再构表面可表示为E{hkl}p×q–α以再构表面为衬底，当衬底表面上的吸附原子达到一定数量时，形成了具有覆盖层的实际表面。覆盖表面可表示为E{hkl}p×q–α-m×n-β-D式中，E{hkl}p×q–α表示再构表面，m、n和β分别表示覆盖点阵

6、基矢与再构表面基矢的长度和偏转角，D表示覆盖元素。覆盖表面常简写为E{hkl}m×n-β-D例如Si{111}7×7–0，表示在Si{111}理想表面上形成的再构点阵形状与衬底相同，只不过再构点阵的基矢是衬底基矢的七倍，并且as′与as平行。硅（111）-（7x7）表面重构的扫描隧道显微镜图像不同晶面的表面能以简单的正方点阵为例，可以导出断面表面能与夹角的关系：当θ=π/4时，对应的是原子密度小的[11]面，表面能最大；θ=0时，原子密度度大的[10]面，表面能最小。此规律对三位点阵也适用，面心立方的[111]体心立方的[110]均为密排面，具有最低的表面能

7、。2.2表面吸附吸附在固体材料表面的原子，通过表面扩散等方式结合成原子团。当原子团超过临界尺寸成为晶核后，进一步聚集、长大为薄膜，这是表面工程中最常见的成膜方法。因此，表面吸附与表面扩散对成膜过程和成膜质量有直接影响。表面吸附现象是材料表面最重要的特征之一。固-气界面的吸附现象及其规律，对材料合成与制备有普遍意义。表面吸附通常分为物理吸附和化学吸附。固体表面称为吸附剂，被吸附原子或分子称为吸附质。物理吸附物理吸附的作用力是范德华力。范德华力来源于表面原子吸附原子之间的极化作用。一般分子的范德瓦耳斯相互作用能约为0.1-0.2eV，称为吸附能。（多层）物理吸附

8、的特点物理吸附的吸附热较低，因此物理吸附通常在低温下