固体表面特征.ppt

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1、第一章固体的表面特性1.1固体表面结构1.2固体的表面吸附1.3固体表面的物理力学特征1.4固体表面成分与结构分析方法第一章固体的表面特性自然界的物质以固、液、气三种形式存在；通常把两种不同形态物质的交界面称为界面；界面又分为表面、晶界、相界；物质的这三种状态之间可以形成5种界面：固-固、固-液、固-气、液-液、液-气；固体表面通常指固-气界面和固-液界面。自然界中的表面现象表面现象研究发展史历史上对表面现象的研究是从力学开始的，早在十九世纪初就形成了表面张力的概念。1805年，托马斯·杨（T.Young）最早提出表面张力概念，并将表面张力概念推广应用于有固体的体系，导出了联系气-液、固-液

2、、固-气表面张力与接触角关系的杨氏方程。1806年，拉普拉斯（P.S.Laplace）导出了弯曲液面两边附加压力与表面张力和曲率半径的关系。可用该公式解释毛细管现象。1859年，开尔文（Kelvin）将表面扩展时伴随的热效应与表面张力随温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸汽压随表面曲率变化的方程即著名的开尔文方程。1869年达普里（A.Dapre）研究了润湿和粘附现象，将粘附功与表面张力联系起来。1878年，表面热力学的奠基人吉布斯（Gibbs）提出了表面相厚度为零的吉布斯界面模型，他还导出了著名的吉布斯吸附等温式。1893年，范德华开始应用统计力学研究表面化学，开启了用统计力学研究界面现象

3、的前奏。1913-1942年期间，美国科学家郎格缪（Langmuir）对蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表面现象的研究尤为突出。为此他于1932年荣获诺贝尔奖，并被誉为表面化学的先驱者、新领域的开拓者。1950年以后，随着电子及航天科技的发展，新的表面测试技术应运而生，如低能电子衍射、俄歇电子能谱等不断出现，超高真空设备不断完善，可制备足够清洁的表面及复制表面。表面科学进入从微观水平上研究表面现象的阶段，成为了一门独立的学科。目前，科学家可在优于10-7Pa的超高真空下，从分子或原子水平上研究表面现象。不少科学家致力于催化剂和多相催化过程、有关表面的组成、结构和吸附态对表面反应的影响及表面机理的

4、研究，从而寻找有实用价值的高效催化剂。2007年，德国科学家GerhardErtl因“固-气界面基本分子的过程的研究”获得诺贝尔化学奖。1.1固体表面结构这里我们只讨论晶态物质的固体表面结构。固体表面指固体靠近气体或液体的一个或几个原子（0.5-10nm）组成的表面层。由于固体物质内部原子的周期性排列在固体表面发生了改变，将会出现以下结果：（1）表面结构发生调整和改变，使结晶学性质及表面能发生了变化；（2）表面原子与环境发生相互作用，产生物理化学吸附或化学反应。1936年，有人提出把金属表面的构成分成内表面层和外表面层。金属表面实际构成示意图如下：1.1.1理想晶体表面理想晶体表面是一种理论

5、上结构完整的二维点阵结构平面。理想表面结构示意图表面二维点阵结构在表面上的原子依然具有和晶体内部相一致的周期性排列，同时也忽略了由于原子键合在表面的中断而形成表面能等影响。表面内部1.1.2清洁表面结构清洁表面指不存在吸附、催化反应或杂质扩散等作用的，无任何污染的表面。它通常具有以下三个主要特征：（1）表面弛豫（2）表面重构（3）表面台阶（1）表面弛豫（2）表面重构（3）表面台阶1.1.3实际表面结构一般情况下，实际表面存在各种不完整性和不均匀性，如台阶，弯折，位错露头，空位等。按照几何特征，晶体缺陷分为：（1）点缺陷（2）线缺陷（3）面缺陷（1）点缺陷点缺陷包括空位，间隙原子和置换原子；空

6、位又包括肖脱基空位和弗兰克尔空位。a空位b间隙原子c置换原子点缺陷（2）线缺陷晶体中的线缺陷通常指位错，分为刃型和螺型；位错线是一条直径为几个原子间距，但长度为几千至几万个原子间距的原子畸变结构。刃型位错示意图（3）面缺陷晶体的面缺陷指沿二维方向伸展，而在另一维方向上尺寸相对较小；晶界或界面就是一种二维的面缺陷，为一个至几个原子层厚。由于界面原子和内部原子的结构偏差，使表界面具有很多与晶体内部不同的性质，如界面吸附，界面腐蚀等。晶体面缺陷的存在，使得原本任意取向的表面，为使表面能最小，而形成一些密排面为表面的小平台或台阶。使宏观上为高指数的表面转变为低指数的平台或台阶（高指数面的晶面间距更小

7、）。晶面1（平面）晶面3（连接面）晶面2（立面）（4）晶体表面偏聚表面偏聚指合金表面成分不同于整体平均成分的现象，一般多指溶质原子在表面的富集现象；表面偏聚可分为平衡偏聚和非平衡偏聚；平衡偏聚时，系统温度和化学位不变，可用平衡热力学描述，其成分扩展范围只有几个原子层；非平衡偏聚时，系统中各种参数发生改变，需进行动力学分析，其成分不均匀性可扩展至距表面几十或几百个原子层处。（5）实际表面特点我们通常接触到的实际