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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,课程主要内容：,一、材料外表与界面的结构,二、材料外表振动,三、材料外表电子态金属、半导体,四、材料外表吸附,五、薄膜与非晶的外表与界面特性,六、外来粒子与外表的相互作用,七、材料外表与界面的分析方法,第一局部 材料外表与界面的结构,1.1 固体的外表,一、理想外表,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外表中断的影响；,2、不考虑外表原子的热运动、热扩散、热缺陷等；,3、不考虑外界对外表的物理-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，那么外表原子的位置与结构是半无限的，与体内完全一样。,二、清洁外表,不存在任何吸附、催化反响、杂质扩散等物理-化学效应的外表。,1、台阶外表 - 外表不是平面，由规那么或不规那么台阶组成。,外表的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内,晶面1,（平面）,晶面3,（连接面）,晶面2,（立面）,清洁外表可分为三种：,台阶外表、弛豫外表 、重构外表,2、弛豫外表 -,指外表层之间以及外表和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0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,0,3、重构外表 -,指外表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d0与体内相同。,d,0,内部,表面,d,0,三、吸附外表,在清洁外表上有来自体内扩散到外表的杂质和来自外表周围空间吸附在外表上的质点所构成的外表。,吸附外表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,四、外表自由能,在建立新外表时，邻近原子将丧失，键被切断，因此，必须对系统作功；,同样，在一定温度和压力下，并保持平衡条件，假设增加外表能，系统也必须作功。,对所有单组分的系统，外表总的自由能改变为：,G-外表自由能； S-熵； T-温度,V-体积； p-压力； -外表张力； A-外表积,五、外表偏析,杂质由体内偏析到外表，使多组分材料体系的外表组成与体内不同。,将偏析与外表张力联系起来：,(1) 假设2 1, 外表张力较小的组分将在外表上偏析(富集);,(2) 假设2= 1, 不存在外表偏析。,1.2 外表二维结构,平面 二维 格点阵列,二维格子示意图,格点,格点可以是一个原子即Bravais布喇菲格子；,格点也可以是原子团；,二维格子中任意格点的位矢：,、,为二维格子的基矢。也是原胞的两条边。,二维格子的数目是有限的，实际上只有5种,Bravais,格子，即斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下：,名 称,格子符号,基矢关系,晶 系,斜形,方形,六角形,矩形,中心矩形,P,P,P,P,C,a,b， 90,，,任意,a,=b， =90,a,=b， =120,a,b， =90,a,b， =90,斜形,正方,六角,矩形,矩形,二维,Miller,指数,Miller指数标记二维晶格中平行晶列的各种取向。如hk,注意与晶面指数的区别。？,外表结构命名法,Wood,命名法,2,2,矩阵命名法,自学,1.3 常见的外表结构,一、金属外表结构,目前已确定有100多种外表结构。以下主要介绍金属外表结构、半导体外表结构、氧化物外表结构以及薄膜外表结构。,清洁的金属外表，低能电子衍射LEED研究说明具有如下特点：,1、其Miller指数面的外表单胞多为1 1结构；,2、外表单胞与体内单胞在外表的投影相等；,3、外表键长与体内键长相近；,4、垂直于外表的最上层与第二层的间距接近于体内的值，变动,小于5%。一些较少非紧密堆积的晶面，约有5% - 15%的,缩短；,5、非紧密堆积的原子比紧密堆积的原子更趋向于松弛；,6、有些晶面上吸附原子后，外表和体内的键长差异减小甚至消,失可能是外表断裂的键由于吸附杂质原子而获得恢复。,二、半导体外表结构,清洁的半导体外表，具有如下特点：,1、外表普遍发生重构现象；,2、半导体外表结构具有各自稳定性的温度范围，温度太高或太低，外表会从一种结构转变为另一种结构；,实例1：Si111面附近劈裂面在不同温度下实时转变状态的,STM图像；.,实例2：GaAs在100、111、111极性外表有大量重,构发生，在110非极性外表未发现重构现象。,三、氧化物外表结构,对于氧化物外表，一般都出现重构现象，主要原因是非化学计量的诱导和氧化态变化造成的。,实例：氧化态TiO2，外表吸氧或脱氧，变成 Ti2O3、 TiO等 .,四、薄膜外表结构,对于薄膜外表，交换着原子、离子、电子、光子以及其它粒子，并决定薄膜一系列的光学、电学、磁学、力学、生物学等性质。对于薄膜外表结构，受到如下因素的影响：,1、薄膜制备过程中的各种条件；,2、基底材料种类与晶面；,3、薄膜与基底之间的界面。,所以，薄膜外表结构非常复杂。,实例：从金属薄膜的电子衍射把戏薄膜厚度不同可以有弥散环、择优取向清锐环以及无择优取向清锐环等、STM图像或AFM图像等可说明。,1.4 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,一、界面类型,1、平移界面,在结构相同的晶体中，一局部相对于另一局部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。,2、孪晶界面,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。,4、反演界面,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,二、界面的微观结构,指晶粒间界的结构，是在晶体结晶过程中形成的，存在于多晶材料中。晶界区的晶粒外表原子，由于受到相邻晶粒势场的作用，这些原子将在晶界区重新排列并到达平衡状态。,晶粒1,晶粒2,晶界,晶界原子排列示意图,据晶界结构相邻晶粒取向差异角度的大小，可分为小角晶界和大角晶界。,1、晶界原子排列的理论模型,自学,2、小角晶界,两个相邻晶粒取向差异角度在0-10之间。,较小的小角晶界可用位错排列来说明。如以下图。,小角倾转晶界示意图,P54,图,3、大角晶界,当两个相邻晶粒取向差异角度超过15时为大角倾斜晶界，此时晶界内位错密集，当超过35时，位错覆盖整个界面。,4、共格晶界,界面两边相邻晶粒的原子成一一对应的相互匹配关系。界面上的原子为相邻两个晶体所共有。,共有原子,相邻晶粒的面间距差不多时，可完全共格；面间距相差较大时，出现局部共格。,5、晶界能与晶界电势,晶界能,：晶界处的界面能。,晶界电势,：,小角度范围0处,那么功函数为:,-,N,个电子系统在胶体中的基态能量;,-在同一胶体中(,N-1),个电子系统的能量;,-电子处在(-,)处的静电能。,式中:,三个参数的表达式的求法：,了解,三、外表能,定义：在电子数保持不变的情况下，建立一个外表所需要的能量。,其表达式求法：金属外表系统的总能量减去体内的能量。,外表能包括两局部：静电外表能+动能、交换能及相关能,3.3 几种近似方法,3.4 外表势与功函数的计算,自学,(了解),
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