材料物理学第2章-1.ppt

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1、材料物理学第2章材料的表面与界面§2.1材料的表面§2.2材料的界面§2.3多晶材料中的晶界§2.4表面界面研究方法简介§2.1材料的表面2.1.1表面界面的定义：相与相的交界面称界面（InterfaceBoundary），通常将气相与凝聚相的交界面称为表面（Surface），凝聚相的交界区为界面，同相晶粒之间为晶界，异相晶粒之间为相界。1.表面的范围根据研究内容而定，是一个过渡区（若干Å至数m）。2.理想表面与实际表面（1）理想表面表面原子排列除上部无原子外与体内一样。（2）实际表面未清洁过的表面（Uncleanedsurface）；清洁表面（Cleanedsurface）；真

2、空清洁表面。1.1.2清洁表面的的原子排布为降低表面能，表面原子需重新排布。1.表面原子排列的调整a.弛豫，b.重构，c.超结构。2.外来因素a.吸附，b.合金1.1.3实际表面1.表面外形和表面粗糙度2.表面的组织（1）晶粒尺寸的变化（2）贝尔比层经抛光等机械加工后的金属的表面区的表面组成。3.表面的成分与性质表面杂质的偏析与耗尽为减少表面能产生平衡偏析与非平衡偏析偏析与耗尽往往会引起表面改性。表面对材料性能的主要影响有：表面硬度、耐蚀性、蠕变、附着力、焊接特性、表面扩散、固相反应和潜象。对电磁性能的影响为：表面态、界面态、陷阱和复合中心、表面电导、功函数、抗磁性和超导临界温度等

3、。2.1.5表面在薄膜制备中的重要性表面是指基片（衬底）的表面状态　。基片的作用：承载薄膜材料与作为外延衬底。淀积物在表面形成薄膜的过程是：吸附→成核→长大（二维或三维）。表面的缺陷与形貌会延伸到薄膜中。表面存在的应力也会影响薄膜的生长。表面的状态对薄膜的性质影响非常大。§2.2材料的界面2.2.1界面的定义和种类相与相的交界面称界面（Boundary，Interface）。晶粒与晶粒间的交界区称晶粒间界（GrainBoundaryGB），又称晶界或粒界。对多相凝聚体系统，各相间的界面称相界（PhaseBoundaryPB）。有规则而可控的交界面（相界），称分界面（Interfac

4、e）也有称内表面。2.2.2晶粒间界（GrainBoundaryGB）1.堆层错和双晶（1）层错原子堆积时出现了错位晶界角:两晶粒交界面上原子排列相位上相差的角度。（1）小角度晶界（<10˚）（2）大角度晶界（>=10˚）大角度晶界的模型a.过冷液体模型b.小岛模型c.重合模型2.晶粒间界2.2.3相界1.非共格相界两相结构不同或晶格常数差别很大时，交界区称非共格相界。2.共格相界当两相结构一样，晶格常数差别较小，通过晶格常数扩张与收缩，使得晶界两侧的原子排列按原晶格结构连贯地结合。3.准共格相界:晶格结构相同，但晶格常数差别较大，过渡区主要由失配位错组成2.2.4分界面1.界面的

5、结合力（1）范德瓦耳斯力电矩作用的长程力。（2）机械锁定力表面的不平整交插而卡住。（3）表面过渡层引起的结合力金属-玻璃界面：氧化物过渡层。金属-金属界面：金属扩散、金属间化合物、金属互扩散。该结合力是一种化学键力的作用，强度通常大于前面两种。2.2.5界面在材料中的重要性高技术新材料如金属间化合物，超晶格、多层膜和各种薄膜材料，纳米固体材料以及颗粒、晶须、纤维等增强金属基或增韧的陶瓷基复合材料中，由于界面的原子结构、化学成分不同于界面两侧体材料，而且在界面上很容易发生化学反应。所以界面的性质与界面两侧的体材料有很大差别，界面对材料的性能起着重要的作用，甚至有时能起控制作用。2.2

6、.6界面特征与表征1.界面的类型异质材料交界处的界面可能是由于不同材料的（1）扩散粘接（2）内氧化（或还原）（3）外延生长以及（4）多种多样的不同层次范围（纳米、微米）的复合方法而形成。由于材料的种类和制备工艺的差别，材料的界面可能有多种多样的形式，但从晶体结构的角度可把材料的界面分为：（1）具有相同（或不同）点阵常数的两种晶体之间的界面。（2）晶体和非晶体之间的界面。（3）两种非晶体之间的界面。除界面两侧物质的晶体结构外，还要考虑界面两侧的化学成分的变化。（4）微米与纳米界面。2.界面的观察与表征高空间分辨率的分析电子显微术，原子探针-场离子显微术、特别是扫描隧道显微镜原子力显微

7、镜的发展与应用是一类表征界面的强有力的工具。通常将高分辨透射电子显微技术及其他表征技术联合使用，更可靠地确立材料界面的原子结构、物理和化学性质，进而能弄清界面特征与村料总体性能之间的关系．2.2.7纳米界面及其界面效应当金属电极与电介质接触时,由于接触电势差，形成一空间电荷区。可从金属内原子距离扩展到电介质内约10-9m或到绝缘体内10-7m，形成一个纳米级的界面,并且恒定带电构成双电层。这一电荷分离层是电介质和金属电极间界面的特征,它在界面内产生的电场可高达103M