表格模板-材料表面技术 第二章 精品.ppt

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1、第二章第二章 表面科学的某些理论和概念表面科学的某些理论和概念2.1 固体材料的表面固体材料的表面2.2 表面晶体学表面晶体学2.3 表面热力学表面热力学2.4 表面动力学（自学）表面动力学（自学）2.5 表面电子学（自学）表面电子学（自学）一、固体材料与气体的界面一、固体材料与气体的界面1.清洁表面清洁表面2.实际表面实际表面二、固体材料与液体的界面二、固体材料与液体的界面（略）（略）2.1 2.1 固体材料的表面固体材料的表面2.2 2.2 表面晶体学表面晶体学1. 1. 理想表面理想表面2. 2. 清洁表面清洁表面（1 1）台阶表面）台阶表面（2 2）弛豫表面）弛豫表面（3 3）重构表面

2、）重构表面（4 4）吸附表面）吸附表面（5 5）偏析表面）偏析表面3. 3. 实际表面实际表面特征：偏离三特征：偏离三维周期性结构维周期性结构特征：表面组分特征：表面组分与材料内部不同与材料内部不同1. 1. 理想表面理想表面 对于没有杂质的单晶，作为零级近似可将其清洁对于没有杂质的单晶，作为零级近似可将其清洁表面理想为一个理想表面。这是一种理论上的结构完表面理想为一个理想表面。这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。整的二维点阵平面。 忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，响，忽略了表面原子的热运动、

3、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等。忽略了外界对表面的物理化学作用等。 这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原子的位这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。图图2.1.1 理想表面结构示意图理想表面结构示意图 d 2. 2. 清洁表面清洁表面 清洁表面是指不存在任何吸附、催化清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。这种清洁表面的化学组成与体内相同，但这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。周期结构可以

4、不同于体内。 由于表面排列突然发生中断，表面原子由于表面排列突然发生中断，表面原子受力受力( (化学键化学键) )情况发生变化，总效应是增大情况发生变化，总效应是增大体系的自由能。体系的自由能。 为了降低体系能量为了降低体系能量( (减小表面能减小表面能) )，表面附近，表面附近原子的排列必须进行调整。原子的排列必须进行调整。 调整的方式有两种：调整的方式有两种：(1)(1)自行调整，表面处原子排列与内部有明显不同；自行调整，表面处原子排列与内部有明显不同；(2)(2)靠外来因素，如吸附杂质、靠外来因素，如吸附杂质、 生成新相等。生成新相等。 根据表面原子的排列，清洁表面又可分为根据表面原子的

5、排列，清洁表面又可分为台台阶表面阶表面、弛豫表面弛豫表面、重构表面重构表面等。等。 图图2.1.2 单晶表面平台、台阶及扭折示意图单晶表面平台、台阶及扭折示意图 由低能电子衍射（由低能电子衍射（LEED）等实验证实许多单）等实验证实许多单晶体的表面有平台、台阶和扭折。晶体的表面有平台、台阶和扭折。台阶台阶上的扭折图图2.1.3 Pt（557）有序原子台阶表面示意图）有序原子台阶表面示意图（1 1）台阶表面）台阶表面 台阶表面不是一个平面，它是由有规则的台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成。或不规则的台阶的表面所组成。112111110(001)周期周期 进行进行低能电

6、子衍射低能电子衍射（LEEDLEED）实验时，）实验时，电子束从不同台阶反射时会产生位差。如电子束从不同台阶反射时会产生位差。如果台阶密度较高，各个台阶的衍射线之间果台阶密度较高，各个台阶的衍射线之间会发生相干效应。在台阶规则分布时，表会发生相干效应。在台阶规则分布时，表面的面的LEEDLEED斑点分裂成双重的；如果台阶不斑点分裂成双重的；如果台阶不规则分布，则一些斑点弥散，另一些斑点规则分布，则一些斑点弥散，另一些斑点明锐。明锐。LEED Pattern台阶结构台阶结构可用下式表示：可用下式表示： R(S)m(hkl)n(hkl)-uvm 式中式中R表示台阶表面的组成元素；表示台阶表面的组成

7、元素；(S)为台阶结构；为台阶结构；m表示平台宽度为表示平台宽度为m个原子列个原子列(晶列晶列)；(hkl)为平台的晶为平台的晶面指数；面指数；n表示台阶的原子层高度；表示台阶的原子层高度；(hkl)为台阶侧为台阶侧面的晶面指数；面的晶面指数；uvm为平台与台阶相交的原子列方为平台与台阶相交的原子列方向。例如向。例如 Pt(S)6(111)(100)-011 表示表示Pt的台阶表面；平台有的台阶表面；平台有6个原子列宽；平台指数个原子列宽；平台指数为为(111)；台阶高度为；台阶高度为1个原子层；台阶侧面指数为个原子层；台阶侧面指数为(100)；平台与台阶相交的晶列方向为；平台与台阶相交的晶列

8、方向为011。图图2.1.4 弛豫表面示意图弛豫表面示意图 （2 2） 弛豫表面弛豫表面 由于固相的三维周期性在固体表面处突然由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。下位移，称为表面弛豫。图图2.1.5 LiF(001)弛豫弛豫表面示意图，表面示意图， Li F d0d0.1A0.35A图图2.1.6 重构表面示意图重构表面示意图 （3 3）重构表面）重构表面 重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内相同。同于体内，但

9、垂直方向的层间距则与体内相同。d0d0asa (4) (4) 吸附表面吸附表面 吸附表面有时也称界面。它是在清洁表面上吸附表面有时也称界面。它是在清洁表面上有来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成有来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。的表面。图图2.1.7 吸附表面示意图吸附表面示意图 （5 5）偏析表面）偏析表面 不论表面进行多么严格的清洁处理，总有一不论表面进行多么严格的清洁处理，总有一些杂质由体内偏析到表面上来，从而使固体表面些杂质由体内偏析到表面上来，从而使固体表面组成与体内不同，称为表面偏析。组成与体内不同，称为表面偏析。 图图2.1.8 偏析表面示意图偏析表面示意图

10、在材料实际应用过程中，材料表面是要经过在材料实际应用过程中，材料表面是要经过一定加工处理一定加工处理( (切割、研磨、抛光等切割、研磨、抛光等) )，材料又在，材料又在大气环境大气环境( (也可能在低真空或高温也可能在低真空或高温) )下使用。材料下使用。材料可能是单晶、多晶、非晶体。这类材料的表面称可能是单晶、多晶、非晶体。这类材料的表面称为为实际表面实际表面。 实际表面中主要关心的是实际表面中主要关心的是nm-m级范围内级范围内原子排列所形成的表面的结构特征，包括材料表原子排列所形成的表面的结构特征，包括材料表面的微结构面的微结构(组织组织)、化学成分、形貌、不同形态、化学成分、形貌、不同

11、形态(形状形状)材料表面的特点。材料表面的特点。3.3. 实际表面实际表面 实验观测表明，固体实验观测表明，固体实际表面实际表面是不规是不规则而粗糙的，存在着无数台阶、裂缝和凹则而粗糙的，存在着无数台阶、裂缝和凹凸不平的峰谷。这些不同的几何状态同样凸不平的峰谷。这些不同的几何状态同样会对表面性质产生影响，其中最重要的是会对表面性质产生影响，其中最重要的是表面粗糙度表面粗糙度和和微裂纹微裂纹。 衡量表面平整程度时，当波距小于衡量表面平整程度时，当波距小于1mm1mm时，时，表面出现的不平整性称为表面出现的不平整性称为表面粗糙度表面粗糙度。表面粗糙度表面粗糙度 表面粗糙度是指表面粗糙度是指加工表面

12、上具有的较小间距的峰加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状特性和谷所组成的微观几何形状特性。 表面粗糙度与波纹度、宏观几何形状误差不同的表面粗糙度与波纹度、宏观几何形状误差不同的是：是：相邻波峰和波谷的间距小于相邻波峰和波谷的间距小于1mm，并且大体，并且大体呈周期性起伏呈周期性起伏。 表面粗糙度表面粗糙度产生原因产生原因：主要由加工过程中刀具与：主要由加工过程中刀具与工件表面间的摩擦、切屑分离工件表面层材料的工件表面间的摩擦、切屑分离工件表面层材料的塑性变形、工艺系统的高频振动以及刀尖轮廓痕塑性变形、工艺系统的高频振动以及刀尖轮廓痕迹等原因形成。迹等原因形成。 表面粗糙度表面粗

13、糙度会引起表面力场变化，进而影会引起表面力场变化，进而影响其表面性质：响其表面性质：u 由于固体表面的不平坦结构，使表面力场变得不由于固体表面的不平坦结构，使表面力场变得不均匀，其活性和其它表面性质也随之发生变化。均匀，其活性和其它表面性质也随之发生变化。u 粗糙度还直接影响到固体比表面积，内、外表面粗糙度还直接影响到固体比表面积，内、外表面积比值以及与之相关的属性，如强度、密度、润积比值以及与之相关的属性，如强度、密度、润湿、孔隙率和孔隙结构、透气性和浸透性等。湿、孔隙率和孔隙结构、透气性和浸透性等。u 粗糙度还关系到两种材料间的封接和结合界面间粗糙度还关系到两种材料间的封接和结合界面间的吻

14、合和结合强度。的吻合和结合强度。 表面微裂纹表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微裂是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种影响尤为重要。影响尤为重要。脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是因脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用，使位为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用，使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。葛里菲斯（葛里菲斯（Griffith）建立了著名的微裂纹理论，并导）建

15、立了著名的微裂纹理论，并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系：出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系：式中，式中， R为断裂强度，为断裂强度，C为微裂纹长度，为微裂纹长度， E为弹性模量，为弹性模量，是表面自由能。是表面自由能。CER2表面微裂纹表面微裂纹 残余应力（自学）残余应力（自学） 表面氧化、吸附和沾污（自学）表面氧化、吸附和沾污（自学）2.3 2.3 表面热力学表面热力学一、液体的表面张力与表面自由能一、液体的表面张力与表面自由能1.1. 液体的表面张力液体的表面张力 设液面上一直线的长度为设液面上一直线的长度为l，若在此线上施，若在此线上施加外力加外力f恰能使它平衡不动，则该外

16、力恰能使它平衡不动，则该外力f就等于表就等于表面张力。实验证明：面张力。实验证明： 式中式中称为表面张力系数或比表面张力，一般就称为表面张力系数或比表面张力，一般就简称它为简称它为表面张力表面张力。 lflf/或2. 2. 液体的表面自由能液体的表面自由能 总表面总表面(自由自由)能能Gs等于增加表面积等于增加表面积A所需的可逆所需的可逆功。功。 比表面能比表面能，简称，简称表面表面(自由自由)能能等于等于增加单位表增加单位表面面所需的可逆功。写成关系式为所需的可逆功。写成关系式为GsA 比表面能可以定义为比表面能可以定义为 对于液体来说，表面对于液体来说，表面(自由自由)能与表面张力是一致的：能与表面张力是一致的：PTsAG, 二、固体的表面自由能和表面张力二、固体的表面自由能和表面张力与液体相比：与液体相比：1 1）固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数）固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数值上不等于表面自由能。值上不等于表面自由能。2 2）固体的表面张力是各向异性的。）固体的表面张力是各向异性的。3 3）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固）实际固体的表面绝