表格模板-第二讲表面科学与工程的基础理论 精品.ppt

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1、表面科学与工程表面科学与工程 第二讲第二讲 表面科学与工程的基础理论表面科学与工程的基础理论(1)授课人授课人 李远星李远星主要内容主要内容v一、一、表面晶体学表面晶体学v二、二、金属的表面现象金属的表面现象v三、三、覆层的形成机制覆层的形成机制v四、四、表面缺陷与表面扩散表面缺陷与表面扩散一、一、表面晶体学表面晶体学v1. 表面类型表面类型u理想表面理想表面u洁净表面洁净表面u实际表面实际表面v1. 理想表面理想表面 典型的固体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

2、想表面无限晶体v2. 洁净表面洁净表面典型的固体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 1）弛豫：表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同）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于体内间距( (缩小或增大缩小或增大

3、) )的现象，即表面附近的点阵常数的现象，即表面附近的点阵常数在在垂直方向垂直方向上不同与晶体内部上不同与晶体内部。 原因：晶体的三维周期性在表面处突然原因：晶体的三维周期性在表面处突然中断，中断，引起表面原子的配位数、附近的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电荷分布、所处的力场等均与体内原子有所不同有所不同，因此使表面上的原子会发生，因此使表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下位移，以降低相对于正常位置的上、下位移，以降低表面能量表面能量固体表面结构弛豫示意图 典型的固体表面典型的固体表面2. 洁净表面（2 2）重构：表面原子在）重构：表面原子在水平方向水平方向

4、的周期性不同于体内的晶的周期性不同于体内的晶面，面，表面重构能使表面结构发生质的变化。表面重构能使表面结构发生质的变化。 典型的固体表面典型的固体表面2. 洁净表面（3 3）台阶化：指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成。）台阶化：指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成。2. 洁净表面洁净表面典型的固体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. 洁净表面洁净表面固体表面的偏析和吸附典型的固

5、体表面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 46 6个原子层个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原层子范围。之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原层子范围。晶体表面的缺陷：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刃位错：直径为原子尺寸的一根管道螺位错：表面形成台阶螺位错：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

6、件而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。定，最为普遍的是吸附（或偏析）的外来杂质原子。典型的固体表面典型的固体表面(1)刃型位错刃型位错 ：正刃型位错（：正刃型位错（ ）、负刃型位错）、负刃型位错( ) 典型的固体表面典型的固体表面刃型位错的几何特征：刃型位错的几何特征： (1)位错线与其滑移矢量位错线与其滑移矢量d垂直，刃型位错可以为任意垂直，刃型位错可以为任意形状的曲线。形状的曲线。 (2)有多余半原子面。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，用符号正刃型

7、位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错表示，反之为负刃型位错，用，用“”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子面左右对称。子面左右对称。典型的固体表面典型的固体表面(2)螺型位错：左螺型位错、右螺型位错螺型位错：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 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。典型的固体表面典型的固体表

8、面洁净表面的获得洁净表面的获得 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。分的原子。 所以要获得清洁表面，必须采取一些特殊的处理措所以要获得清洁表面，必须采取一些特殊的处理措施。施。典型的固体表面典型的固体表面1 1在真空中解理晶体在真空中解理晶体 金属金属(合金合金)沿某些严格

9、的结晶学平面发生分离的断裂沿某些严格的结晶学平面发生分离的断裂(穿穿晶晶)称为解理。称为解理。 在真空条件下，使金属产生解理，可获在真空条件下，使金属产生解理，可获得清洁表面。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、铋和晶，如铍、锌、铋和 锑等。锑等。2 2把表面在真空中进行热处理，使温度高到足以蒸发掉表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面的污染物 已成功地用来清洁一些难熔的金属表面已成功地用来清洁一些难熔的金属表面(如钨和铌等金如钨和铌等金属表面属表面)，但这种方法不能除去像碳等难于蒸

10、发的原子。，但这种方法不能除去像碳等难于蒸发的原子。典型的固体表面典型的固体表面洁净表面的获得洁净表面的获得典型的固体表面典型的固体表面洁净表面的获得洁净表面的获得3 3离子多次轰击法离子多次轰击法 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。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轰击和退火。须进行多次的反复轰击和退火。 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。

11、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。也有将离子轰击改为用低能电子轰击。典型的固体表面典型的固体表面3. 实际表面实际表面实际表面：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的形态 实际表面就是我们通常接触到的表面实际表面就是我们通常接触到的表面抛光后的金属表面抛光后的金属表面l 表面粗糙度表面粗糙度l 表面组织表

12、面组织l 表面化学成分表面化学成分典型的固体表面典型的固体表面实际表面实际表面3.机械加工后的表面表面的粗糙度和波度构成了金属的表面形貌。v 粗糙度:加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成了其特征，粗糙度的波距与波深之比常常为150：15。v 波纹度:金属表面呈波浪形的有规律和无规律的表面反复结构误差称为波纹度。波纹度的波距与波深的比为：1000：1100。 材料的表面粗糙度是表面工程技术中材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要最重要的概念之一。的概念之一。它与表面工程技术的特征它与表面工程技术的特征及实施前的预备工艺紧密及实施前的预备工艺紧密联系，并严重影响材料的联系，

13、并严重影响材料的摩擦磨损、腐蚀性能、表摩擦磨损、腐蚀性能、表面磁性能和电性能等。面磁性能和电性能等。l 表面粗糙度（表面粗糙度（surface roughness）典型的固体表面典型的固体表面金属表面形貌对其表面特性的影响金属表面形貌对其表面特性的影响v 处于粗糙区域的原子比具有正常原子有更高的能量，具处于粗糙区域的原子比具有正常原子有更高的能量，具有更高的表面自由能和表面流动性。有更高的表面自由能和表面流动性。v 影响金属表面间的实际接触面积和接触性质。金属表面影响金属表面间的实际接触面积和接触性质。金属表面的接触，实际上是微凸体间的接触，此接触可为弹性接触的接触，实际上是微凸体间的接触，此

14、接触可为弹性接触，也可为塑性接触。，也可为塑性接触。v 金属实际表面积大于表观表面积，增加了与介质的实际金属实际表面积大于表观表面积，增加了与介质的实际接触面积，降低了抗蚀性能。接触面积，降低了抗蚀性能。 v 粗糙金属表面常具有与内部不同的成分及组织，由机械粗糙金属表面常具有与内部不同的成分及组织，由机械加工时的高应力、高温度和金属间摩擦造成加工时的高应力、高温度和金属间摩擦造成。 典型的固体表面典型的固体表面抛光金属表面附近抛光金属表面附近贝尔比层贝尔比层 （Beilby layer） 残余应力残余应力 表面形变和组织畸变区表面形变和组织畸变区实际表面实际表面固体材料加工后，在几微米至十几微

15、米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，造成一定程度的晶格畸变,这种畸变随深度而变化，在最外层约510nm可形成一种非晶态，其成分为金属及其氧化物，即为贝尔比层。 l 表面组织表面组织 其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。贝尔其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。贝尔比层具有较高的耐磨性和耐蚀性，这在机械制造时可以利用比层具有较高的耐磨性和耐蚀性，这在机械制造时可以利用。但是在其他许多场合，贝尔比层是有害的，例如在硅片上。但是在其他许多场合，贝尔比层是有害的，例如在硅片上进行外延、氧化和扩散之前要用腐蚀法除掉贝尔比层，因为进行外延、氧化和扩散之前要用腐蚀法除掉贝尔比层，因为

16、它会感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件的性能。它会感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件的性能。 金属在切割、研磨和抛光后，除了表面产生贝尔比层之外，金属在切割、研磨和抛光后，除了表面产生贝尔比层之外，还存在着各种残余应力，同样对材料的许多性能发生影响。还存在着各种残余应力，同样对材料的许多性能发生影响。实际上残余应力是材料经各种加工、处理后普遍存在的。实际上残余应力是材料经各种加工、处理后普遍存在的。 贝尔比层贝尔比层l 表面成分表面成分二元合金表面富集元素二元合金表面富集元素由由A,B两种原子组成的固体表面情况两种原子组成的固体表面情况实际表面实际表面FeOl 表面成分（表面成分（surface composition）金属的氧化金属的氧化 : 气相气相/ /高价氧化物高价氧化物/ /低价氧化物低价氧化物/ /金属金属空气空气1000CuCuCu2OCuOCu2O空气空气空气空气570FeFe3O4空气空气Fe2O3FeFe3O4Fe2O3实际表面实际表面1.基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面v 微晶层(贝尔比层(Beilby)层)：1-100nm厚的晶粒微小的微晶层。v 塑