材料表面与界面（PPT 精品）

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,材料表面与界面,Surface and Interface of Materials,2013,参考书目,1、孙大明等编著，固体的表面与界面，安徽教育出版社，1996,2、朱履冰等编著，表面与界面物理，天津大学出版社，1992,3、胡福增编，材料表面与界面，华东理工大学出版社，2008,4、许并社编，材料界面的物理与化学，化学工业出版社，2006,5、曹立礼著，材料表面科学（第2版），清华大学出版社，2009,6、闻立时著，固体材料界面研究的物理基础，科学出版社，2011,课程要求,教学方式：讲授+研讨,时间分配：60%+40%,考察方式：考试60%+研讨和报告40%,Introduction,材料表界面对材料科学中的重要性；,表界面的定义；,表界面的分类；,物理表面；,清洁表面；,材料表界面对材料科学的重要性,材料的表界面对材料整体性能具有决定性的影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切相关，因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。,表界面的定义,表界面,是由一个相过渡到另一相的过渡区域。,习惯上把固气、液气的过渡区域称为,表面,，而把固液、液液、固固的过渡区域称为,界面,。,表界面的分类,根据物质的聚集态，表界面通常可以分为以下五类：,固气；,液气；,固液；,液液；,固固；,1 Gas-Liquid Interface,2 Gas-Solid Interface,3 Liquid-Liquid Interface,4 Liquid-Solid Interface,5 Solid-Solid Interface,1 表面与界面的结构,1.1.1 理想表面,1.1.2 清洁表面,1.1.3 吸附表面,1.1 物理表面,1.1.1 理想表面,d,内部,表面,理想表面示意图,理论上结构完整的二维点阵平面。,理论前提：,1、不考虑晶体内部周期性,势场,在晶体表面中断的影响；,2、不考虑表面原子的,热运动、热扩散、热缺陷,等；,3、不考虑,外界,对表面的物理-化学作用等；,4、认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位置与结构是半无限的，与体内完全一样。,d,理想表面结构示意图,NaCl,晶,体,离子晶体表面的电子云变形和离子重排,1.1.2 清洁表面,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。,（表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）,清洁表面是相对于受环境污染的表面而言的。只有用特殊的方法才能得到清洁表面，同时还必须保持在1.3310,-10,Pa的超高真空中。,获得清洁表面的几种方法:,在获得超高真空的同时获得清洁的表面。,用简单的加热方法去除表面的沾污。,在化学气氛中加热去除那些通过简单加热不能清除的化学吸附沾污。,对于较顽固的沾污，可以利用惰性气体离子（如,Ar,+,、,Ne,+,）轰击表面而有效地清除污染。,对于一些晶体，可以采用沿特定的晶面自然解理而得到清洁表面。,在适当的基片上通过真空蒸发法获得预想的单晶和多晶薄膜，作为研究对象的清洁表面。,需要高真空度的理由：,根据气体分子运动论，当气压为P（,乇,，,1 乇 = 133 Pa = 1 mmHg,）,、温度为T（K）情况下，每秒钟同单位面积表面相碰撞的气体分子个数为N。N=28910,22,P(MT,)-1/2,cm,2,s,-1, ，其中M是气体分子量。,当真空度达到,10,-6,乇,（10,-3,Pa）左右，以氮气为例，在室温下，每秒大约有,310,14,个气体分子同 1 cm,2,的表面相碰撞，考虑固体表面一个单原子层上的原子数，每平方厘米大约有10,15,个 原子（原子间距以0.3 nm计），如果和表面相碰撞的氮气分子全部被吸附于表面，则每隔,3 秒钟,就将形成一个单原子层覆盖于表面之上。,所谓,超高真空,（UHV）都是在,10,-9,（乇）,以下。若在室温，真空度为,10,-10,（乇）,的系统中，每秒只有,3.810,10,个气体分子和1 cm,2,表面相碰撞。此时在表面形成一个覆盖气体分子层则需要大约,8 h,的时间。在这个状况条件下气体分子的平均自由程大约是,50,000km,。,完整的真空系统,机械泵,机械泵,机械泵,UHV腔,分子泵,离子泵,Ti 泵,热偶规,热偶规,热偶规,B-A计,气瓶,分子束,转盘,泄漏阀,在原子清洁的表面上可以发生多种与体内不同的结构和成分变化，如,弛豫,、,重构,、,台阶化,、,偏析和吸附,等，如图1-1所示。,1 弛豫表面,-,指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距d,s,和体内原子层间距d,0,相比有所膨胀和压缩的现象。可能涉及几个原子层。,d,s,内部,表面,d,0,弛豫,表面区原子（或离子）间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞结构基本不变，这种情况称为弛豫。,离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库伦静电力，这是一种长程作用。,弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向，因此，一般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对称性发生了变化。,表面弛豫后常会存在电矩（电偶极子）。,2 重构表面,-,指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d,0,与体内相同。,d,0,内部,表面,d,0,d,0,d,0,a,s,a,表面重构示意图,3 台阶表面,-,表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。,晶面1,（平面）,晶面3,（连接面）,晶面2,（立面）,112,111,110,(001),周期,Pt（557）有序原子台阶表面示意图,4 表面偏析,杂质由体内偏析到表面，使多组分材料体系的表面组成与体内不同。,将偏析与表面张力联系起来：,(1) 若,2, ,1, 表面张力较小的组分将在表面上偏析(富集);,(2),若,2,= ,1, 不存在表面偏析。,吸附表面,在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。,吸附表面可分为四种吸附位置,：,顶吸附、桥吸附 、填充吸附、中心吸附,顶吸附,桥吸附,填充吸附,中心吸附,俯视图,剖面图,1.2 固体的界面,界面：两相之间的接触面。,如相界面、内界面、晶界等。,界面类型,从晶体学角度：,平移界面,孪晶界面,反演界面,从实用角度：,气固界面,半导体界面,薄膜界面,超晶格界面,界面类型,1.2.1 平移界面,在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量 。其间的界面称为平移界面。,SF,A.P.B - 等于点阵矢量，称反相界面；,SF - 不等于点阵矢量，称层错。,1.2.2 孪晶界面,1.2.3 混合界面,孪晶界面又称取向界面。,孪晶界面与平移界面混合后的界面。,当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。,反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着。,I B,左侧,右侧,1.2.4 反演界面,