材料科学基础05固体的表面与界面.ppt

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1、固体的表面与界面固体的接触界面一般可分为表面、界面和相界面：1）表面:表面是指固体(三维结构)与真空的界面。2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。界面不只是指一个几何分界面，而是指一个薄层，这种分界的表面（界面）具有和它两边基体不同的特殊性质。物体界面原子和内部原子受到的作用力不同，它们的能量状态也就不一样，这是一切界面现象存在的原因。1高倍电子显微镜下聚四氟乙烯表面结构图2CVD氧化铝涂层剖面氧化铝涂层表面1µm3晶界的显微照片晶界的高分辨TEMNi0.76Al0.24:500ppmB的

2、小角晶界（倾斜7°）4相界面3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有三类:固相与固相的相界面（s／S）；固相与气相之间的相界面（s／V）；固相与液相之间的相界面（s／L）。5液-液界面6液-固界面7固-固界面固-固界面是固体中的一种缺陷，有其自身的结构、化学成分和物理化学特性。这种缺陷，从它在物质中分布的几何特征来看，是二维的，借此区别于其他晶体缺陷如位错和空位等。8晶体材料中存在着许多界面，如（外）表面（surface）与内界面（interface）等。界面通常包含几个原子层厚的区域，该

3、区域内的原子排列甚至化学成分往往不同于晶体内部，又因其在三维空间表现为一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大，故称为面缺陷（interfacialdefects）。面缺陷（二维缺陷）表面是指固体材料与气体或液体的分界面；而内界面包括晶界(grainboundaries)、孪晶界(twinboundaries)、亚晶界（sub-boundaries）、相界(phaseboundaries)及层错(stackingfaults)等。界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生着重要的影响。9界面现象

4、的本质对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；对于多组分体系，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销；但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。10第1节固体的表面及其结构第2节界面及界面行为——润湿与吸附、粘附本章了解界面、固体表

5、面分类及结构、固体表面力场重点掌握润湿的类型（附着、浸渍和铺展润湿）重点掌握Young方程、接触角润湿的应用吸附、粘附11固体表面的特点固体表面的不均一性。表现在：(1)固体表面是不均匀的，即使从宏观上看似乎很光滑，但从原子水平上表面的凹凸不平(2)固体中晶体晶面的不均一性：各相异性、晶面不完整(3)表面被外来物质所污染，表面吸附外来杂质(4)同种晶体由于制备和加工条件，会具有不同的表面性质，而且实际晶体的晶面是不完整的，会有晶格缺陷、空位和位错等.第1节固体的表面及其结构12图1不均匀表面的示意图

6、固体表面的结构和性质在很多方面都与体内不同．晶体内部的三维平移对称性在晶体表面消失了．把固体表面称为晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。固体的表面13固体的表面理想表面清洁表面（1）台阶表面（2）弛豫表面（3）重构表面吸附表面141、理想表面没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面定义为一个理想表面。这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等。这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原

7、子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。(图2理想表面结构示意图)15图2理想表面结构示意图d162、清洁表面清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。真实的清洁表面与理想表面间主要存在如下不同：表面结构弛豫；表面结构重构；表面双电层。根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。17图3Pt（557）有序原子台阶表面示意图（1）台阶表面台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则

8、的台阶的表面所组成。[112][111][110](001)周期18c）Ge(111)表面模型原子垂直压缩值1为0，2、3为0.22Å，4为0.46Å，5为0.15Å。图4台阶表面不同的压缩形式（a）均匀压缩（b）边界原子压缩19图5弛豫表面示意图（2）弛豫表面由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。图6LiF(001)弛豫表面示意图，●Li●Fd0d0.1A0.35A20图7重构表面示意图（3）重构表面重构