材料表面與界面研究生PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 材料表面與界面研究生材料表面與界面研究生PPT課件課件 二、清潔表面 不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理-化學(xué)效應(yīng)的表面。 1、臺(tái)階表面 - 表面不是平面，由規(guī)則或不規(guī)則臺(tái)階組成。 （表面的化學(xué)組成與體內(nèi)相同，但結(jié)構(gòu)可以不同于體內(nèi)） 晶面1（平 面） 晶面3 （連接 面） 晶面2 （立面 ） 清潔表面可分為三種： 臺(tái)階表面、弛豫表面 、重構(gòu)表面 第1頁/共56頁 2、弛豫表面 - 指表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之間的垂直間距ds和體內(nèi)原子層間距d0相比有所膨脹和壓縮的現(xiàn)象?？赡苌婕皫讉€(gè)原子層。 ds 內(nèi)部 表面 d0 第2頁/共56頁 3、重構(gòu)表面 - 指表面原子層在水平方向

2、上的周期性不同于體內(nèi)，但在垂直方向上的層間間距d0與體內(nèi)相同。 d0 內(nèi)部 表面 d0 第3頁/共56頁 三、吸附表面 在清潔表面上有來自體內(nèi)擴(kuò)散到表面的雜質(zhì)和來自表面周圍空間吸附在表面上的質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的表面。 吸附表面可分為四種吸附位置： 頂吸附、橋吸附 、填充吸附、中心吸附 頂吸附 橋吸附 填充吸附 中心吸附 俯視圖 剖面圖 第4頁/共56頁 四、表面自由能 在建立新表面時(shí)，鄰近原子將丟失，鍵被切斷，因此，必須對系統(tǒng)作功； 同樣，在一定溫度和壓力下，并保持平衡條件，若增加表面能，系統(tǒng)也必須作功。 對所有單組分的系統(tǒng)，表面總的自由能改變?yōu)椋?dAVdpSdTdG G-表面自由能； S-熵； T

3、-溫度 V-體積； p-壓力； -表面張力； A-表面積 第5頁/共56頁 五、表面偏析 雜質(zhì)由體內(nèi)偏析到表面，使多組分材料體系的表面組成與體內(nèi)不同。 將偏析與表面張力聯(lián)系起來： (1) 若2 1, 表面張力較小的組分將在表面上偏析(富集 ); (2) 若2= 1, 不存在表面偏析。 第6頁/共56頁 1.2 表面二維結(jié)構(gòu) 平面 二維 格點(diǎn)陣列 二維格子示意圖 格點(diǎn) 格點(diǎn)可以是一個(gè)原子（即Bravais布喇菲格子）； 格點(diǎn)也可以是原子團(tuán)； 二維格子中任意格點(diǎn)的位矢： bmanT a b 、為二維格子的基矢。也是原胞的兩條邊。 第7頁/共56頁 二維格子的數(shù)目是有限的，實(shí)際上只有5種Bravai

4、s格子，即斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下： 名名 稱稱格子符號格子符號基矢關(guān)系基矢關(guān)系晶晶 系系 斜形斜形 方形方形 六角形六角形 矩形矩形 中心矩形中心矩形 P P P P C a b， 90，任，任 意意 a=b， =90 a=b， =120 a b， =90 a b， =90 斜形斜形 正方正方 六角六角 矩形矩形 矩形矩形 二維Miller指數(shù) Miller指數(shù)標(biāo)記二維晶格中平行晶列的各種取向。如（hk） 注意與晶面指數(shù)的區(qū)別。？ 第8頁/共56頁 表面結(jié)構(gòu)命名法 Wood命名法 22 矩陣命名法 自 學(xué) 第9頁/共56頁 1.3 常見的表面結(jié)構(gòu) 一、金屬表面結(jié)構(gòu) 目

5、前已確定有100多種表面結(jié)構(gòu)。以下主要介紹金屬表面結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)、氧化物表面結(jié)構(gòu)以及薄膜表面結(jié)構(gòu)。 清潔的金屬表面，低能電子衍射（LEED）研究表明具有如下特點(diǎn)： 1、其Miller指數(shù)面的表面單胞多為（1 1）結(jié)構(gòu)； 2、表面單胞與體內(nèi)單胞在表面的投影相等； 3、表面鍵長與體內(nèi)鍵長相近； 第10頁/共56頁 4、垂直于表面的最上層與第二層的間距接近于體內(nèi)的值，變動(dòng) 小于5%。一些（較少）非緊密堆積的晶面，約有5% - 15%的 縮短； 5、非緊密堆積的原子比緊密堆積的原子更趨向于松弛； 6、有些晶面上吸附原子后，表面和體內(nèi)的鍵長差別減小甚至消 失（可能是表面斷裂的鍵由于吸附雜質(zhì)原子而獲

6、得恢復(fù)）。 第11頁/共56頁 二、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu) 清潔的半導(dǎo)體表面，具有如下特點(diǎn)： 1、表面普遍發(fā)生重構(gòu)現(xiàn)象； 2、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)具有各自穩(wěn)定性的溫度范圍，溫度太高或太低，表面會(huì)從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)； 實(shí)例1：Si（111）面附近劈裂面在不同溫度下實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)變狀態(tài)的 STM圖像；. 實(shí)例2：GaAs在（100）、（111）、（111）極性表面有大量重 構(gòu)發(fā)生，在（110）非極性表面未發(fā)現(xiàn)重構(gòu)現(xiàn)象。 第12頁/共56頁 三、氧化物表面結(jié)構(gòu) 對于氧化物表面，一般都出現(xiàn)重構(gòu)現(xiàn)象，主要原因是非化學(xué)計(jì)量的誘導(dǎo)和氧化態(tài)變化造成的。 實(shí)例：氧化態(tài)TiO2，表面吸氧或脫氧，變成 Ti2O3、 TiO等 .

7、 第13頁/共56頁 四、薄膜表面結(jié)構(gòu) 對于薄膜表面，交換著原子、離子、電子、光子以及其它粒子，并決定薄膜一系列的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)等性質(zhì)。對于薄膜表面結(jié)構(gòu)，受到如下因素的影響： 1、薄膜制備過程中的各種條件； 2、基底材料種類與晶面； 3、薄膜與基底之間的界面。 所以，薄膜表面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。 實(shí)例：從金屬薄膜的電子衍射花樣（薄膜厚度不同可以有彌散環(huán)、擇優(yōu)取向清銳環(huán)以及無擇優(yōu)取向清銳環(huán)等）、STM圖像或AFM圖像等可說明。 第14頁/共56頁 1.4 固體的界面 界面：兩相之間的接觸面。如相界面、內(nèi)界面、晶界等。 界面類型 從晶體學(xué)角度： 平移界面 孿晶界面 反演界面 從實(shí)用角度：

8、 氣固界面 半導(dǎo)體界面 薄膜界面 超晶格界面 一、界面類型 第15頁/共56頁 1、平移界面 R 在結(jié)構(gòu)相同的晶體中，一部分相對于另一部分平滑移動(dòng)一個(gè)位移矢量 。其間的界面稱為平移界面。 R A.P.B R SF A.P.B - 等于點(diǎn)陣矢量，稱反相界面； SF - 不等于點(diǎn)陣矢量，稱層錯(cuò)。 R R 第16頁/共56頁 2、孿晶界面 3、混合界面 孿晶界面又稱取向界面。 孿晶界面與平移界面混合后的界面。 第17頁/共56頁 4、反演界面 當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)由中心對稱向非中心對稱轉(zhuǎn)變時(shí)，由反演操作聯(lián)系起來的兩個(gè)疇之間形成反演界面IB。 反演界面兩側(cè)點(diǎn)陣相同，但通過一個(gè)反演中心聯(lián)系著。 I B 左側(cè) 右側(cè)

9、 第18頁/共56頁 二、界面的微觀結(jié)構(gòu) 指晶粒間界的結(jié)構(gòu)，是在晶體結(jié)晶過程中形成的，存在于多晶材料中。晶界區(qū)的晶粒表面原子，由于受到相鄰晶粒勢場的作用，這些原子將在晶界區(qū)重新排列并達(dá)到平衡狀態(tài)。 晶粒1 晶粒2 晶界 晶界原子排列示意圖 據(jù)晶界結(jié)構(gòu)相鄰晶粒取向差別角度的大小，可分為小角晶界和大角晶界。 第19頁/共56頁 1、晶界原子排列的理論模型 自 學(xué) 2、小角晶界 兩個(gè)相鄰晶粒取向差別角度在0-10之間。 較小的小角晶界可用位錯(cuò)排列來說明。如下圖。 小角傾轉(zhuǎn)晶界示意圖 P54 圖 第20頁/共56頁 3、大角晶界 當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒取向差別角度超過15時(shí)為大角傾斜晶界，此時(shí)晶界內(nèi)位錯(cuò)密集，當(dāng)超過35時(shí)，位錯(cuò)覆蓋整個(gè)界面。 4、共格晶界 界面兩邊相鄰晶粒的原子成一一對應(yīng)的相互匹配關(guān)系。界面上的原子為相鄰兩個(gè)晶體所共有。 共有原子 相鄰晶粒的面間距 差不多時(shí)，可完全共格 ；面間距相差較大時(shí)， 出現(xiàn)部分共格。 第21頁/共56頁 5、晶界能與晶界電勢 晶界能：晶界處的界面能。 晶界電勢： 小角度范圍（0處,則功函數(shù)為: )() 1()( eJJl NENE )(NEJ ) 1(NEJ )(e -N個(gè)電子系統(tǒng)在膠體中的基態(tài)能量; -在同一膠體中(N-1)個(gè)電子系統(tǒng)的能量; -電子處在(-)處的靜電能。 式中: 三個(gè)參數(shù)的表達(dá)式的求法： 了