第二讲表面科学与工程的基础理论ppt课件.ppt

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1、表面科学与工程第二讲表面科学与工程的基础理论(1)授课人李远星主要内容一、表面晶体学二、金属的表面现象三、覆层的形成机制四、表面缺陷与表面扩散一、表面晶体学1.表面类型理想表面洁净表面实际表面1.理想表面典型的固体表面理想表面：无限晶体中插入一个平面，分成两部分后形成的表面。自然界很难获得理想表面。特点：表面原子近邻原子数少，表面原子能量升高，表面能，引起吸附。理想表面无限晶体2.洁净表面典型的固体表面洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化学成分与体内相同，这种表面称为洁净表面。相对于表面受污染表面和理想表面而言的。允许有吸附物，只有经过特殊处理方法得到，如高温处

2、理。清洁表面（定义）：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。洁净表面存在着：弛豫、重构、台阶化、偏析和吸附等表面现象。（1）弛豫：表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内间距(缩小或增大)的现象，即表面附近的点阵常数在垂直方向上不同与晶体内部。原因：晶体的三维周期性在表面处突然中断，引起表面原子的配位数、附近的电荷分布、所处的力场等均与体内原子有所不同，因此使表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下位移，以降低表面能量。固体表面结构弛豫示意图典型的固体表面2.洁净表面（2）重构：表

3、面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶面，表面重构能使表面结构发生质的变化。典型的固体表面2.洁净表面固体表面重构示意图（3）台阶化：指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成。固体表面台阶示意图2.洁净表面典型的固体表面单晶表面的TLK模型已被低能电子衍射（LEED）等表面分析结果所证实。平台（terrace）、台阶(ledge)、弯结(kink)三种主要缺陷就构成了晶粒表面缺陷的TLK模型。（4）偏析和吸附：指化学组分在表面区的变化。2.洁净表面固体表面的偏析和吸附典型的固体表面晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经过4～6个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体

4、表面实际上只有几个原层子范围。晶体表面的缺陷：点缺陷：空位对，空位团簇，吸附（偏析）的杂质原子等线缺陷：位错在表面的露头刃位错：直径为原子尺寸的一根管道螺位错：表面形成台阶各种材料表面上的点缺陷类型和浓度都依一定条件而定，最为普遍的是吸附（或偏析）的外来杂质原子。典型的固体表面(1)刃型位错：正刃型位错（）、负刃型位错()典型的固体表面刃型位错的几何特征：(1)位错线与其滑移矢量d垂直，刃型位错可以为任意形状的曲线。(2)有多余半原子面。习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号“┻”表示，反之为负刃型位错，用“┳”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子面

5、左右对称。典型的固体表面(2)螺型位错：左螺型位错、右螺型位错典型的固体表面典型的固体表面螺位错具有如下的几何特征：(1)螺位错线与其滑移矢量d平行，故纯螺位错只能是直线。(2)根据螺旋面的不同，螺位错可分左和右两种，当螺旋面为右手螺旋时，为右螺位错，反之为左螺位错。(3)螺位错没有多余原子面，它周围只引起切应变而无体应变。典型的固体表面洁净表面的获得在表面技术的预处理中，常常要获得清洁表面。但从清洁表面的定义上讲，用任何高效能洗涤剂清洗过的晶体材料的表面，也不是清洁表面，因为材料表面上必然会吸附有洗涤剂分子或空气中的某些成分的原子。所以要获得清洁表面，必须采取一些特殊的处理

6、措施。典型的固体表面1．在真空中解理晶体金属(合金)沿某些严格的结晶学平面发生分离的断裂(穿晶)称为解理。在真空条件下，使金属产生解理，可获得清洁表面。受可解理的材料和平面的限制，仅能解理几种金属的单晶，如铍、锌、铋和锑等。2．把表面在真空中进行热处理，使温度高到足以蒸发掉表面的污染物已成功地用来清洁一些难熔的金属表面(如钨和铌等金属表面)，但这种方法不能除去像碳等难于蒸发的原子。典型的固体表面洁净表面的获得典型的固体表面洁净表面的获得3．离子多次轰击法把样品表面在真空中循环地用惰性气体离子轰击和退火的方法。单次轰击后晶体内的杂质还可分离到表面上来，这种方法必须进行多次的反复

7、轰击和退火。对于大多数表面都是有效的，还可以清除用第二种方法清除不了的难蒸发的原子。注意不要把表面打得粗糙或变成新的晶相表面。因此，近来也有将离子轰击改为用低能电子轰击。典型的固体表面3.实际表面实际表面：暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。特点：表面粗糙度，表面组织，表面化学成分实际表面的形态实际表面就是我们通常接触到的表面抛光后的金属表面表面粗糙度表面组织表面化学成分典型的固体表面实际表面3.机械