第五章 晶态固体的表面和界面课件.ppt

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1、第5章晶态固体的表面和界面(SurfacesandInterfacesSurfacesinCrystallineSolid)•界面构成晶态固体组织的重要组成部分;是二维晶体缺陷。•结构不同于晶体内部,因而有很多重要的不同于晶体内部的性质,影响晶体的一系列物理化学过程,且对晶体整体性能也具有重要影响。•例如晶体生长、外延生长、摩擦、润滑、磨蚀、表面钝化、催化、吸附、扩散以及各种表面的热粘附、光吸收和反射、热电子和光电子的吸收和反射等;晶体中的界面迁动、异类原子在晶界的偏聚、界面的扩散率、材料的力学和物理性能等也都和界面结构有直接的关系。•是现代材料学科中一个活跃的课题。•引言(研

2、究表面与界面的意义)本章涉及的内容•界面的结构;与内部有何不同?结构模型;•偏析;溶质在晶内与晶界的能量差异?5.1晶体表面5.1.1静态表面原子状态和表面结构静态:指原子不动(无热激活)5.1.1.1清洁表面区电子密度分布的变化/现象一金属材料:表面偶向真空伸入约伸入约0.1nm垂直表面方向上晶体内部周期性遭到破坏,因而在表面附近的电子分布发生变,影响表面原子排列。在表面形成一层稀薄的电子云,形成一个偶电层。无表面影响表面电子逸出形成电子云5.1.1.2表面弛豫和再构(RelaxationandRestructure)表面原子也会发生向表面法线方向的弛豫。可向外膨胀或向内收缩

3、,这由于表面原子在真空一侧丧失了近邻原子而出现“悬挂链”,表面及附近原子达到新的平衡位置。注:一般来说,保留了平行表面的原子排列二维对称性。理想的解离表面表面向外弛豫外层4个原子层的再构(假想模型)用低能电子衍射(Low-EnergyelectronDiffraction,LEED)研究清洁晶体表面的原子弛豫和再构,这些研究主要是针对FCC金属表面。研究表明:①Al、Ni、Cu和Au等的{001}表面基本没有表面法向弛豫,其排列和清洁的理想解离表面状况大体一样,表面{001}面间距与晶面间距与晶内的面间距相差不超过2.5%~5%。②面心立方结构金属的{110}表面有大于5%表面

4、法向收缩。③面心立方结构金属{111}表面的实验数据不大一致,如Ni的{111}表面层约有等于或少于表面层2%的收缩,Al的{111}表面可能有反常表面约2%的扩张弛豫。BCC结构结构,例如,例如Na、V、Fe、W、Mo等晶体,它们中大多数的{100}、{110}和{111}表面没有明显的表面法向弛豫,而Mo的{100}表面却发生了很大的表面法向弛豫,收缩约11%~12%。除了因表面原子在表面法线方向弛豫而引起表面再构外,如果表面受其它原子的作用,甚至其它原子(这些原子可以来自外部,也可以来自内部)进入到表面中,也会引起表面的再构。再构后的这种表面称为称为覆盖表面。在大多数面心

5、立方和体心立方结构的金属中,{100}和{110}的覆盖表面的结构都比较简单,而少数金属(金和铂){100}覆盖表面的结构比较复杂,半导体锗、硅等覆盖表面的结构更为复杂。化合物覆盖表面的结构比单质表面的的复杂。5.1.2动态表面原子状态热力学温度0K时的情况。从原子尺度上看,每一个原子层都是一个理想的平面,在这个平面中原子是二维有序的周期排列,这样的表面称完整光滑突变表面。不是热力学温度0K时,由于时,由于原子的热运动,原来的光滑表面可能出现一些缺陷。单晶表面的TLK模型(坪台Terrace,突壁Ledge、扭折Kink)不同kT/EV值时表面结构示意图---温度的影响EV--

6、形成一个空位的激活能。当温度超过0K时,表面层个别原子可能获得足够能量跃迁到表面层上,同时在表面层留下一个空位。当kT/EV值≈0.6时,形成孤立平台和空位团,此时在表面形成缺陷。5.2晶粒界(GrainBoundary)普通晶体材料的晶粒直径为15-24mm,超细晶粒材料的晶粒直径小于1mm。晶粒越细小,多晶体材料中晶界所起的作用越重要。描述晶界位置/结构的五个自由度晶界结构首先取决于它邻接的2个晶粒的相对取向,可用两晶粒通过某一轴u旋转一个(最小)角度q来描述(3个变量)。但即使是相对取向相同,晶界在2个晶粒之间的空间取向也可不同,还需一条法线来确定(2个变量)。即5个宏观

7、自由度。按晶界的取向差,把晶界分为小角度晶界(LAGB,<10°)和大角度晶界(HAGB>15°)。取向差在10°~15°范围的晶界根据对它感兴趣的性质,可以看成是小角度晶界或大角度晶界。•非晶薄膜模型;•位错模型;•岛屿模型;•CSL模型;•O点阵模型;注意模型的应用范围Nb晶界的HREM影像5.2.1小角度晶界的位错模型分两种:倾转晶界(Tiltboundary);扭转晶界(Twistboundary);设:u是获得两晶粒间取向的旋转轴单位矢量;n是晶界面法线单位矢量。则:倾转晶界的条件

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