材料表面油與界面課件

1、材料表面與界面材料科學(xué)與工程學(xué)系了! _緒論一、本課程建立背景（1）材料科學(xué)與工程專業(yè)所關(guān)心的對象材料組成制備結(jié)構(gòu)（原子排列范疇，晶粒排列范疇.）相互間的關(guān)系（聲、光、電、磁、熱等）; _緒論(2)前期課程理論基礎(chǔ)課程：大學(xué)物理，無機(jī)及分析化學(xué)，物理化學(xué)物理n 微觀上原子或電子運(yùn)動規(guī)律。 宏觀上力、電、磁、熱等變化規(guī)律。化學(xué)n微觀上原子或分子尺度討論物質(zhì)變化規(guī)律。 宏觀上從熱、濃度、酸堿度等方面討論物質(zhì) 變化規(guī)律；熱力學(xué)和動力學(xué)。_緒論r材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料性能*材料結(jié)構(gòu)特性（材料種類本質(zhì)上的區(qū)別）*物質(zhì)（單晶）內(nèi)原子和電子運(yùn)動規(guī)律特征；*材料熱力學(xué)（相圖）和動力學(xué)（擴(kuò)散、燒結(jié)）；*

2、材料形成（單晶、多晶（金屬、陶瓷）、非晶）上述課程（包括）主要與塊（或體）材料有關(guān)。緒論瀑材料組成、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用的關(guān)系玻璃為什么透明料為，蕓釆用金屬材料?為什么要玻璃為什么不能 作為支撐材料？/ V x X，不同化學(xué)組成的材料具有不同的特性，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域緒論 SiO2單晶（石英）具有壓電性SiO2 （石英）玻璃具有良好的透光性和熱穩(wěn)定性、 耐高溫 度器材、/尊光纖相同的化學(xué)組成,經(jīng)不同制備方法,可形成不同原子排列結(jié)構(gòu)的材料，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。緒論納米銅*材料拉伸時(shí)的行為:拉力伸長的一般關(guān)系為- 緒論J-*納米銅在022Tm（260C）下拉伸，原始長度1cmAs-deposited產(chǎn)200%相

3、同的晶相（化學(xué)組成和原 子排列結(jié)構(gòu)），不同的微觀 結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸），也會使 材料具有完全不同的特性。緒論上述現(xiàn)象都是與體材料的化學(xué)組成、原子排列 有序程度、晶相種類、微觀結(jié)構(gòu)等有關(guān)，通過 以前課程所學(xué)的知識都可以進(jìn)行解釋和說明。一些發(fā)生在材料的表面現(xiàn)象，可能很難用以前 課程所學(xué)的知識進(jìn)行解釋和說明。如：緒論(4)表面的作用材料表面的去污(界面效應(yīng))憎水基親水基*洗潔劑油滴 油/水界面 油污去除材料表面緒論J-材料親水性（表面效應(yīng)） *防霧玻璃或鏡子緒論囊易（自）潔玻璃璃-玻璃TiO2薄膜雨水一灰塵緒論工作原理緒論緒論J-材料的表面改性（表面效應(yīng)） *表面摩擦力太陽能電池板滑動摩擦力盡可能小緒論

4、HU|買EMJ-*表面改性原理滑動摩擦力（。丿=真實(shí)接觸面積E,） X界面剪切 強(qiáng)度3）要使摩擦力小，材料的4和s要小，即，材料表面 要高硬度，低剪切強(qiáng)度。存在矛盾：滑動摩擦力1 T材料變形能力仁結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性1表面改性途徑：在高硬度材料表面與一層軟金屬 （Ag）薄膜組合來達(dá)到降低滑動摩擦力的目的。緒論很多材料的形成、材料和器件的性能（特性） 是通過/依賴于材料表面/界面效應(yīng)發(fā)揮出的！材料表面和界面的科學(xué)與工程的知識對新材料 的研發(fā)和應(yīng)用有著重要的作用！緒論（5）本課程建立的目的介紹材料表面和界面的物理與化學(xué)基礎(chǔ)知識，為 理解材料表面和界面效應(yīng)提供必要的知識。與外界的響應(yīng)作用力（場）結(jié)構(gòu)材料的響

5、應(yīng) （光、電、熱、磁等）作用力（場）結(jié)構(gòu)響應(yīng)（光、電、熱、磁等）本課程知識有利于對薄膜材料、復(fù)合材料、材料合 成、制備有關(guān)課程內(nèi)容理解和掌握，以及為將來進(jìn)行 “綜合實(shí)踐”和“畢業(yè)論文”學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)提供良好的基礎(chǔ)。緒論否通過復(fù)合:NO:20100402070050015124表面是否易于清 潔？昵徑II卿 0Y： sunjlnlontongzhl6）教學(xué)方式緒論課堂講授：為主，結(jié)合二至三次的自學(xué)課，一至 二次的討論課講授方式：以“概念n概念間的關(guān)聯(lián)（原理）n應(yīng)用（概念 /原理與材料實(shí)際性能的關(guān)系）”為主線。以“課程內(nèi)容在材料科學(xué)與工程專業(yè)中起的 作用”為重點(diǎn)。自學(xué)：少量講授內(nèi)容可能講義中沒有，則學(xué)生

6、 應(yīng)自找書籍加以鞏固；講義中部分內(nèi)容可能不 在課堂上講授，學(xué)生通過自學(xué)掌握。討論：結(jié)合當(dāng)前材料科學(xué)研究熱點(diǎn)Il _緒論-課堂作業(yè)做作業(yè)時(shí)，不要拘泥于唯一答案。要求對 “概念”和“原理”有正確的認(rèn)識、理解和應(yīng) 用。*準(zhǔn)備一本練習(xí)本。提問：課間，電子郵件，作業(yè)上。; _緒論學(xué)習(xí)要求：*掌握課程介紹的原理，特點(diǎn)和適用條件*能結(jié)合實(shí)際正確應(yīng)用相應(yīng)的基本原理和技術(shù)?？荚嚕洪_卷成績：平時(shí)作業(yè)和表現(xiàn)（50%）期末考試成績（50%）緒論I-教材提供的講義主要取自表面和界面物理和 表面和界面物理化學(xué)。在講義中較少涉及到應(yīng)用例子g第一章表面與界面的原子結(jié)構(gòu)材料表面cm卩mnmAIIg第一章表面與界面的原子結(jié)構(gòu)第一

7、節(jié)清潔表面在實(shí)際條件下，材料表面受到各方面因素影響， 從而使表面在結(jié)構(gòu)上、組成上都可能發(fā)生改變。為了研究材料的本征表面特性，清潔表面才能用 來進(jìn)行研究。清潔表面是相經(jīng)過特殊處理（即保證組成上的確定 性）后，保持在超高真空下的表面（即保證表面不 隨時(shí)間而改變）。第一節(jié)清潔表面一般清潔表面是指經(jīng)離子轟擊加退火 熱處理后的單晶表面。由于原子在體內(nèi)部和在表面受到力不同，則引起表面原子的排列與內(nèi)部有 較為明顯的差別。這種差異經(jīng)過46層之后，原子的 排列與體內(nèi)已相當(dāng)接近，這個(gè)距離也 可以看作是實(shí)際清潔表面的范圍。在清潔表面中的研究主要針對最表面 層原子排列。第一節(jié)清潔表面STM照片清潔表面觀察 Fe表面驟

8、模擬照片表面層原子排列與內(nèi)層不同但排列有規(guī)律的放大照片第一節(jié)清潔表面1.1描述清潔表面原子排列結(jié)構(gòu)的符號表面原子的排列方式雖然與體內(nèi)有差別，但表面原 子仍作對稱和周期性的排列，?？闯墒嵌S格子。結(jié)晶學(xué)上的概念和規(guī)則，二維格子中都適用。但由 于維數(shù)減少，相應(yīng)的復(fù)雜性也減少，即空間群數(shù)(230 T16)、點(diǎn)群(32t4)和布拉維格子(14 5)。第一節(jié)清潔表面伍德標(biāo)記法當(dāng)體內(nèi)原子的排列，即襯底晶面晶格平移對稱性可表示為T=n1a1+n2a2表面晶格平移對稱性為Ts=niasi+n2faS2表面原子的排列是由原子內(nèi)部排列轉(zhuǎn)化而來, 因此表面原子的排列與內(nèi)部有一定關(guān)聯(lián)。般的關(guān)系為 asi =pa1 a

9、s2 =qa?第一節(jié)清潔表面如果asl/a1 aS2 / a?，則表面晶格可表示為R(hkl)p Xq D式中R:襯底材料的符號，(hkl):襯底平面的密勒 指數(shù)，D是表面覆蓋層或沉積物質(zhì)的化學(xué)符號。第一節(jié)清潔表面如Si(100)表面原子排列Si(100)表面原子排列Si(100)2 X 2-Si = Si(100)2 X 2Si(100)面的原子排列 表面原子排列表記為:H 第-節(jié)清潔表面如果a 1和a 2間的夾角同和a2的夾角一樣，表 面原子的排列形式轉(zhuǎn)過一個(gè)角度a,則伍德簡 式符號的表示為R (hkl) x 禺2 Da1 a2如硫原子在Ni(001)表面吸附。 硫原子排列相格子相當(dāng)于襯底

10、Ni 格子轉(zhuǎn)動了 45伍德簡式符號的表示為：Ni(001)T2 x 也45 - SNi 第一節(jié)清潔表面1.2清潔表面的原子排列由于表面排列突然發(fā)生中斷，表面原子受力(化學(xué)鍵)情況發(fā)生變化，總效應(yīng)是增大體系的=自由能。為了降低體系能量(減小表l=J1=面能)，表面附近原子的排 列必須進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方式有兩種:(1) 自行調(diào)整，表面處原子排列與內(nèi)部有明顯不同;(2) 外來因素，如吸附雜質(zhì)，生成新相等。第一節(jié)清潔表面3）鞄 ft，構(gòu)偽析5）化學(xué)吸附OOOOOO OOOOOOOOOOOO（。）化合物OOOOOO oo ooo O OOOOOOJ-幾種調(diào)整的方式后形式清潔表面結(jié)構(gòu)示意圖O O OOOO

11、 . . .O OOOOO OOOOOO8 8 8 OO OOOO OO 0 0 0,0OO OOOO888888OOOOOOOOOOOOooOOOO OOOO OOOOOOCf）臺階在清潔表面中，主要討論弛豫和重構(gòu)材料表面與界面上節(jié)主要內(nèi)容從靜態(tài)角度來看表面：清潔表面表面原子 有序排列二維格子伍德標(biāo) 記法從動態(tài)角度來看表面：清潔表面形成時(shí)，表面 原子排列變化的原因變化種類第一節(jié)清潔表面STM照片清潔表面觀察 Fe表面驟模擬照片表面層原子排列與內(nèi)層不同但排列有規(guī)律的放大照片第一節(jié)清潔表面1.1描述清潔表面原子排列結(jié)構(gòu)的符號表面原子的排列方式雖然與體內(nèi)有差別，但表面原 子仍作對稱和周期性的排列，

12、常看成是二維格子。結(jié)晶學(xué)上的概念和規(guī)則，二維格子中都適用。但由 于維數(shù)減少，相應(yīng)的復(fù)雜性也減少，即空間群數(shù)(230 T16)、點(diǎn)群(32t4)和布拉維格子(14 5)。第一節(jié)清潔表面伍德標(biāo)記法當(dāng)體內(nèi)原子的排列，即襯底晶面晶格平移對稱性可表示為T=n1a1+n2a2表面晶格平移對稱性為Ts=niasi+n2faS2表面原子的排列是由原子內(nèi)部排列轉(zhuǎn)化而來, 因此表面原子的排列與內(nèi)部有一定關(guān)聯(lián)。般的關(guān)系為 asi =pa1 as2 =qa?第一節(jié)清潔表面如果asl/a1 aS2 / a?，則表面晶格可表示為R(hkl)p Xq D式中R:襯底材料的符號，(hkl):襯底平面的密勒 指數(shù)，D是表面覆蓋

13、層或沉積物質(zhì)的化學(xué)符號。第一節(jié)清潔表面如Si(100)表面原子排列Si(100)表面原子排列Si(100)2 X 2-Si = Si(100)2 X 2Si(100)面的原子排列 表面原子排列表記為:H 第-節(jié)清潔表面如果a 1和a 2間的夾角同和a2的夾角一樣，表 面原子的排列形式轉(zhuǎn)過一個(gè)角度a,則伍德簡 式符號的表示為R (hkl) x 禺2 Da1 a2如硫原子在Ni(001)表面吸附。 硫原子排列相格子相當(dāng)于襯底Ni 格子轉(zhuǎn)動了 45伍德簡式符號的表示為：Ni(001)T2 x 也45 - SNi 第一節(jié)清潔表面1.2清潔表面的原子排列由于表面排列突然發(fā)生中斷，表面原子受力(化學(xué)鍵)情

14、況發(fā)生變化，總效應(yīng)是增大體系的=自由能。為了降低體系能量(減小表l=J1=面能)，表面附近原子的排 列必須進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方式有兩種:(1) 自行調(diào)整，表面處原子排列與內(nèi)部有明顯不同;(2) 外來因素，如吸附雜質(zhì)，生成新相等。第一節(jié)清潔表面3）鞄 ft，構(gòu)偽析5）化學(xué)吸附OOOOOO OOOOOOOOOOOO（。）化合物OOOOOO oo ooo O OOOOOOJ-幾種調(diào)整的方式后形式清潔表面結(jié)構(gòu)示意圖O O OOOO . . .O OOOOO OOOOOO8 8 8 OO OOOO OO 0 0 0,0OO OOOO888888OOOOOOOOOOOOooOOOO OOOO OOOOOOC

15、f）臺階在清潔表面中，主要討論弛豫和重構(gòu)V-思考題哪些材料的性能取決于材料的表面特性?第一節(jié)清潔表面弛豫表面區(qū)原子（或離子）間距與體內(nèi)相比有差別，但 排列的宏觀對稱性和晶胞參數(shù)保持不變，這種變 化稱弛豫。離子晶體表面的離子最易釆取弛豫方式調(diào)整。離 子晶體中的作用力是庫侖靜電力，它是一種長程 作用力，沒有方向性。一般在離子晶體表面離子位置偏移的具體方式： 常發(fā)生在垂直于表面方向。這樣一般不引起點(diǎn)陣 平移對稱性的變化，只是在微觀對稱性發(fā)生了變 化。第一節(jié)清潔表面*原因:體積大Cl離 子產(chǎn)生極化例子：NaCl2. A-rr j _ lf_Cl離子往 靠內(nèi)側(cè)的正 _ Na+產(chǎn)生外部移動 電性增加 排斥

16、作用-Na離子向內(nèi)部移動-時(shí)-整一調(diào)I OAIQ AY AV 6O 0 o o o Oo O 0 o o O剛形成表面時(shí)表面原子調(diào)整后A600007AVLnTOTAYioib o o o o o o大約表面5層發(fā)生有不同程度的位移第一節(jié)清潔表面(2)重構(gòu)當(dāng)表面原子排列作了較大幅度的調(diào)整，與襯底 晶面原子的平移對稱性(晶格常數(shù))有明顯不 同，這種變化稱重構(gòu)。第一節(jié)清潔表面重構(gòu)有兩類情況：(a)表面晶面與體內(nèi)完全不一樣，稱超晶格或超結(jié)構(gòu)。(b)表面晶胞的尺寸大于體內(nèi)，即晶格常數(shù)增大。超結(jié)構(gòu)示意圖金(110)表面(1 X2)重構(gòu)的高分辨電子顯微像第一節(jié)清潔表面鍵鍵鍵例子：Si單晶表面重構(gòu)，Si（ll

17、l）2Xl發(fā)生變化的過程： Si單晶中原子間由sp3雜化而鍵合（鍵角109。）。形成懸掛鍵時(shí)，會引起退雜化，未配對的電子恢復(fù)成純p鍵（態(tài)）或純s鍵。引起剩余三根鍵雜化變化。純p鍵：sp2雜化， 鍵角120。，將表面 原子下拉0.11A純s鍵：p3雜化，鍵 角90。， 將表面原子 上升0.18 A鍵鍵第一節(jié)清潔表面InAs(111)的重建空位型調(diào)整型吸附型O O O OAdsorbed AsO In As Z / 2x2 unit cell第一節(jié)清潔表面W(100)表面重建(在氧的參與下)STM照片第一節(jié)清潔表面1.3清潔表面的缺陷從熱力學(xué)上來分析，清潔表面必然存在有各種類型的表面缺陷in第一節(jié)

18、清潔表面在平臺(2)點(diǎn)缺陷、宇礎(chǔ)三為普遍的就 安応冷沱表面上的正|第一節(jié)清潔表面1.4表面原子結(jié)構(gòu)對材 料研究和生產(chǎn)的影響半導(dǎo)體發(fā)藍(lán)光二極管 是一個(gè)薄膜器件。每 一層的材料除化學(xué)組 成不同外，從結(jié)構(gòu)上 要求是單晶薄膜第一節(jié)清潔表面大部分功能材料的晶體都是各向異性的。單晶化可最大程度發(fā)揮材料的特性和維持材料性能 的穩(wěn)定性。二維材料則需要單晶薄膜多晶膜IF圣單晶膜IF圣第一節(jié)清潔表面驀晶薄膜在f在f基板）表面（晶種）上生成。薄膜基板1=1單晶薄膜是否能形成,極大地取決于基板表面原子結(jié)構(gòu)（表面晶面晶 格常數(shù)和缺陷）。第二節(jié)實(shí)際表面實(shí)際工作和生活中遇到的材料表面金屬材料陶瓷材料高分子材料這些材料表面不

19、可能經(jīng)離子轟擊處理，保存在真空中第二節(jié)實(shí)際表面第二節(jié)實(shí)際表面經(jīng)過一定加工處理（切割、研磨、拋光等）、在大氣環(huán)境下存在的單晶、多晶、非晶體的表面稱為實(shí)際 表面。實(shí)際表面中關(guān)注是nm卩m級范圍內(nèi)表面微結(jié)構(gòu)（組織）、化學(xué)成分、形貌、不同形態(tài)（形狀）材料表面的特征。2卩mAcc.V Spot Maqn Dot WD ,IOOkV 30 40000 x TLD 7.6 Zhojiang Uni噴霧熱解形成的TiO2薄膜(1) 為什么金屬表面結(jié)構(gòu)區(qū)域一般大于氧 化物？材料在拋光過程中發(fā)生哪些變化？ 對材料產(chǎn)生哪些有利和不利作用？(2) 金屬材料與氧化物材料表面成份與體 內(nèi)有何區(qū)別？其原因是什么？(3) 納

20、米顆粒具有極高的反應(yīng)活性，其原 因是什么？第二節(jié)實(shí)際表面2.1表面粗糙度衡量表面平整程度時(shí)，當(dāng)波距小于1mm時(shí)，表 面出現(xiàn)的不平整性稱為表面粗糙度。10gm第二節(jié)實(shí)際表面(1)表面粗糙度定量值當(dāng)比較不同表面粗糙程度的大小時(shí)，需要有定 量或測量粗糙程度的方法。測量方法：選用一條輪廓中線(m),中線是一條 理想的線，在此線上粗糙度為零。第二節(jié)實(shí)際表面(a)輪廓算術(shù)平均偏差Ra在取樣長度1內(nèi)，測量表面上一些點(diǎn)距中線m的 距離yi，y2,yn,取其絕對值的算術(shù)平均值。公式表示為：Ra = ly dx其近似表達(dá)式為： 1 Rai=1 n第二節(jié)實(shí)際表面(b)微觀不平整十點(diǎn)高度Rz在取樣長度內(nèi)，從平行于中線

21、的任何一條線起,到被測量輪廓的五個(gè)最高峰(yp1, yp2, 五個(gè)最低谷(yvi，yv2, yv5)平均権之和,=j，Oyp5)與i =1i =15第二節(jié)實(shí)際表面9八.(c)輪廓最大高度Ry在取樣長度內(nèi)，除去個(gè)別明顯的偏離值之后， 過最高峰和最低谷，分別作平行于中線的平行 線，這兩條平行線間的距離稱輪廓最大高度，第二節(jié)實(shí)際表面(2)表面粗糙系數(shù)R 一些材料表面形狀復(fù)雜，除了外表面外還有內(nèi)表 面。一般釆用粗糙系數(shù)R來表示。R = Ar/Ag式中Ag為幾何表面，Ar為實(shí)際表面。Ag = 10 X10 pm,Ar為曲面形成的面 積第二節(jié)實(shí)際表面加工方式與粗糙系數(shù)材料加工條件粗糙系數(shù)鋁箔6板材拋光1.

22、6陽極氧化層，厚20pm200900鐵2號金剛砂拋光，苯去脂3.8膜60rm R塊 險(xiǎn)Q R拋光塊第二節(jié)實(shí)際表面粗糙度對材料研究和生產(chǎn)的影響(a)材料表面受力的影響由于固體的表面是不平整性，當(dāng)兩個(gè)表面相互 接觸時(shí)，真實(shí)接觸面積與表觀面積差別較大。在實(shí)際應(yīng)用中，表觀面積與加工方式和負(fù)荷無 關(guān)。但真實(shí)接觸面積會隨受力負(fù)荷而改變。第二節(jié)實(shí)際表面負(fù)荷為2kg時(shí)，則真實(shí)接觸面積只是表觀面積的1/100,000。負(fù)荷為100kg時(shí)，真實(shí)接觸面積為表觀面積的1/200粗糙度會使材料表面受力不均勻，并可能產(chǎn)生損傷。全壓配式 生物型臼杯近駅桂缺防止皆質(zhì) 向內(nèi)生長.又剁于將 來的鑰叫取出碼側(cè)造型保持了胡帶 的緊張

23、匡.防止眼臼HM. WMIS.加上 側(cè)而的凹檐，増加了 抗峻轉(zhuǎn)榆定性生*3Sft水謠近蜻納光清的遠(yuǎn)皿減少 大圈的疼-8 神122.5-175mm 長度可供選擇It彫尖H減少了對 遠(yuǎn)詞骨干的隆力（雙重莎度的骨梢易于骨的員健.滅少智,縮的發(fā)生ENDON，*%構(gòu)造釆用了動力原K: 交叉部位和TI6AL4V合金的使用.在保證了高 檜定的基礎(chǔ)上，又保持了一定的津性；加速了 針的Bit.防止了針妻縮28MM題姿跳，3種般礙況長度 炭格：S. ML（12/14播度可供逸擇（外植孔利于植入物的取出超高分子量聚烯, 金屬，陶瓷材料粗糙表面：易 產(chǎn)生磨屑，“顆粒病”低粗糙度表 面：磨損量 小EWJS骨與植入體沒有

24、鍵合化學(xué)鍵合羥基磷灰石（相互交融在一起）化學(xué)鍵合鈦合金骨鈦合金骨界面存在著纖維組織骨與植入體產(chǎn)生鍵合較強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)結(jié)合粗糙表面可以增加基板與涂層的結(jié)合力(c)親水性第二節(jié)實(shí)際表面粗糙度10nm粗糙度33nm輻照前紫外線輻照3h保存4天后保存7天后粗糙度咼4201260粗糙度低5051332第二節(jié)實(shí)際表面課堂作業(yè)：講義上圖13 (p2)中反映了NaCl表面弛豫過程 即Na和Cl離子產(chǎn)生位移后形成表面的晶格常數(shù) 與體內(nèi)保持相同。請說明為什么離子發(fā)生移動 后，表面晶格常數(shù)仍能保持不變？A1X8! O1YQ AY o- 6ooooooro o o o o Oo o o o o O構(gòu)結(jié)豫構(gòu)礙弛(b與構(gòu)結(jié)想W

25、構(gòu)ac面N表想m 二理AGOOOOOQAYPOAYOd o o o o o o該題目是針對“靜態(tài)”時(shí)情景分析，即對表面 原子排列變化的分析。原子相對位置變化（垂直于平面移動）格點(diǎn)位置變化（格點(diǎn)是由什么組成）晶胞尺寸變化（晶胞對應(yīng)置在哪里）J-三維NaCL晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)群-布拉維格子空間群數(shù)IQ格點(diǎn)oobc o oo o o cb o cbooooooo o o o o o原子間距晶格（點(diǎn)陣）常數(shù) 原子或離子格點(diǎn)問題：在下圖中表面原子也發(fā)生上下方向上的變 化，為什么稱重構(gòu)呢？晶格（點(diǎn)陣）常數(shù)發(fā)生了變化 一重構(gòu)材料表面與界面第二節(jié)實(shí)際表面實(shí)際工作和生活中遇到的材料表面金屬材料陶瓷材料高分子材料這些材料

26、表面不可能經(jīng)離子轟擊處理，保存在真空中第二節(jié)實(shí)際表面第二節(jié)實(shí)際表面經(jīng)過一定加工處理（切割、研磨、拋光等）、在大氣環(huán)境下存在的單晶、多晶、非晶體的表面稱為實(shí)際 表面。實(shí)際表面中關(guān)注是nm卩m級范圍內(nèi)表面微結(jié)構(gòu)（組織）、化學(xué)成分、形貌、不同形態(tài)（形狀）材料表面的特征。2卩mAcc.V Spot Maqn Dot WD ,IOOkV 30 40000 x TLD 7.6 Zhojiang Uni噴霧熱解形成的TiO2薄膜第二節(jié)實(shí)際表面2.1表面粗糙度衡量表面平整程度時(shí)，當(dāng)波距小于1mm時(shí)，表 面出現(xiàn)的不平整性稱為表面粗糙度。10gm第二節(jié)實(shí)際表面(1)表面粗糙度定量值當(dāng)比較不同表面粗糙程度的大小時(shí)，

27、需要有定 量或測量粗糙程度的方法。測量方法：選用一條輪廓中線(m),中線是一條 理想的線，在此線上粗糙度為零。第二節(jié)實(shí)際表面(a)輪廓算術(shù)平均偏差Ra在取樣長度1內(nèi)，測量表面上一些點(diǎn)距中線m的 距離yi，y2,yn,取其絕對值的算術(shù)平均值。公式表示為：Ra = ly dx其近似表達(dá)式為： 1 Rai=1 n第二節(jié)實(shí)際表面(b)微觀不平整十點(diǎn)高度Rz在取樣長度內(nèi)，從平行于中線的任何一條線起,到被測量輪廓的五個(gè)最高峰(yp1, yp2, 五個(gè)最低谷(yvi，yv2, yv5)平均権之和,=j，Oyp5)與i =1i =15第二節(jié)實(shí)際表面9八.(c)輪廓最大高度Ry在取樣長度內(nèi)，除去個(gè)別明顯的偏離值

28、之后， 過最高峰和最低谷，分別作平行于中線的平行 線，這兩條平行線間的距離稱輪廓最大高度，第二節(jié)實(shí)際表面(2)表面粗糙系數(shù)R 一些材料表面形狀復(fù)雜，除了外表面外還有內(nèi)表 面。一般釆用粗糙系數(shù)R來表示。R = Ar/Ag式中Ag為幾何表面，Ar為實(shí)際表面。Ag = 10 X10 pm,Ar為曲面形成的面 積第二節(jié)實(shí)際表面加工方式與粗糙系數(shù)材料加工條件粗糙系數(shù)鋁箔6板材拋光1.6陽極氧化層，厚20pm200900鐵2號金剛砂拋光，苯去脂3.8膜60rm R塊 險(xiǎn)Q R拋光塊第二節(jié)實(shí)際表面粗糙度對材料研究和生產(chǎn)的影響(a)材料表面受力的影響由于固體的表面是不平整性，當(dāng)兩個(gè)表面相互 接觸時(shí)，真實(shí)接觸面

29、積與表觀面積差別較大。在實(shí)際應(yīng)用中，表觀面積與加工方式和負(fù)荷無 關(guān)。但真實(shí)接觸面積會隨受力負(fù)荷而改變。第二節(jié)實(shí)際表面負(fù)荷為2kg時(shí)，則真實(shí)接觸面積只是表觀面積的1/100,000。負(fù)荷為100kg時(shí)，真實(shí)接觸面積為表觀面積的1/200粗糙度會使材料表面受力不均勻，并可能產(chǎn)生損傷。第二節(jié)實(shí)際表面2.2表面的組織（微觀結(jié)構(gòu)）材料學(xué)角度考察結(jié)構(gòu)時(shí)：關(guān)注nmT卩mrmm 范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)特征（晶體？晶體種類？顆粒尺 寸？ ） T微觀結(jié)構(gòu)_實(shí)際表面：由于經(jīng)過加工而成，材料表面微觀結(jié)構(gòu)也與體內(nèi)有相當(dāng)不同。第二節(jié)實(shí)際表面處理方式：拋光磨料顆 粒第二節(jié)實(shí)際表面貝爾比層 微晶區(qū)_明顯變形區(qū)第二節(jié) 實(shí)際表面實(shí)際表面微觀

30、結(jié)構(gòu)特征(a)金屬材料 一般金屬材料表面要通過研磨拋光而成，表面 在結(jié)構(gòu)和組成上都會發(fā)生變化在距表面1pm內(nèi)，晶粒尺寸與體內(nèi)顯著不同。 離表面03卩m的范圍，晶粒尺寸很細(xì)，在最表面 層為以非晶態(tài)存在T貝爾比層第二節(jié)Cu表面組織、! Yaa，晶界面角平就大于120。（0相就在晶界處形成 孤立的袋狀第二相。） Yaa/YaB值介于1和173之間，甲就介于60與120。之間。（0 相就在三叉點(diǎn)交角處沿晶粒交線部分地滲進(jìn)去。） Yaa/YaB大于173,中就小于60。（ B相就穩(wěn)定地沿著各個(gè)晶 粒棱長方向延伸。在三叉點(diǎn)處形成三角棱柱體。） Yaa/YaB等于或大于2時(shí)，甲=0。（平衡時(shí)各晶粒的表面完全

31、 被第二相所隔開。）第三節(jié)晶粒間界為講噩圖矗獸晶界是不產(chǎn)生彎曲的，因多晶a-Al2O3的拋光截面實(shí)際的晶界會存在彎曲的晶界。但只要動力學(xué)條 件的允許，彎曲的晶界會沿著曲率中心運(yùn)動，變成平直晶界。第三節(jié)晶粒間界(2)晶界的一般特征這里討論的“晶界”是泛指的晶粒間的界面多晶體中的晶界大都是大角度晶界為了盡可能形成低能晶界，在晶界過渡區(qū)中(a) 通過改變晶格常數(shù)大小，使兩邊原子得到 匹配(b) 形成一定數(shù)目的失配位錯(cuò)，使其兩邊原子 獲得匹配即盡可能通過原子有序排列的過渡壽晶扁結(jié)產(chǎn)節(jié)晶粒間界是界&集渡區(qū)，43O9C甘DQD史o-D専nfl;眇掛DEkD43G-DQ-PCOO-Do o fto Q o

32、tl fi-e -P ? f黃上跚 + * + * +Zr/ZrN界面SnO2 + 1.00% CoO + 0.035%Nb2O5 + 0.30%La2O3第三節(jié)晶粒間界(b )晶界的成分晶界結(jié)構(gòu)比晶體內(nèi)疏松，雜質(zhì)原子容易在此發(fā) 生聚集。在一些材料中雜質(zhì)含量可以低到10 lOOppm, 但在晶界中雜質(zhì)的含量由于偏析可高達(dá)15at %。有時(shí)晶界雜質(zhì)的偏析會對晶體的一些性質(zhì)(如 耐蝕性，蠕變、脆性和電學(xué)性能等)起關(guān)鍵性 的作用。第三節(jié)晶粒間界晶界異組成存在的方式-晶界偏析層由偏析的雜質(zhì)離子所形成的層。 偏析層厚度由20埃至1微米。層狀析出物雜質(zhì)作為另外的結(jié)晶相在晶界析 出，并以層狀或包裹形式存在于

33、晶界中。粒狀析出物雜質(zhì)作為另外的結(jié)晶相在晶界析 出，并以呈粒狀存在于晶界中。01 23401234ENERGY / keV氧化鋯陶瓷界 面成分SnO2 + 1.00% CoO + 0.035%Nb2O5 + 0.30%La2O3ENERGY / keV摻Lu氧化鋁陶瓷第三節(jié)晶粒間界(c )晶界電荷對于許多離子晶體來說，它的結(jié)構(gòu)單元是帶電 的，因此缺陷也帶電。為此在晶界處會帶電。例如在MgO多晶材料中，如有高價(jià)雜質(zhì)離子存 在，則晶界帶負(fù)電，如A12O3中有MnO時(shí)，晶界帶正電。由于晶界電荷的存在，有荷區(qū)、晶界態(tài)和陷阱，直 光學(xué)和磁學(xué)等性能。第三節(jié)晶粒間界(3)陶瓷的晶界陶瓷是多成分、多晶體系，晶

34、界是陶瓷重要微觀結(jié)構(gòu)特征之一。陶瓷晶界特征(a)陶瓷的典型微觀結(jié)構(gòu)；化)晶界偏析層;3)層狀析出物h 3)粒狀析出物第三節(jié)晶粒間界:在材料中晶界效應(yīng)的利用尸w曰買吉由irn尸、J片式陶瓷電容器 形成晶界咼電阻層3C： 電性質(zhì) v片式陶瓷電容器BaTiO3+晶界要高阻第三節(jié)晶粒間界:在材料中晶界效應(yīng)的利用尸w曰買吉由irn尸、J片式陶瓷電容器 rC 形成晶界咼電阻層3C： 電性質(zhì) vI C形成晶界勢壘PTC熱敏電阻晶界電阻（勢壘）隨溫度變化所致distance frcrni grain boundaiy ( nm )PTC熱敏電阻第三節(jié)晶粒間界:在材料中晶界效應(yīng)的利用尸w曰買吉由irn尸、-片式

35、陶瓷電容器 rC 形成晶界咼電阻層3C： 電性質(zhì) )vL PTC熱敏電阻K；形成晶界擴(kuò)散*|3電致變色薄膜 c光性質(zhì))JWO3電致變色薄膜Substrate/Protective LayerTCO : f F四咚hr沖I .Ion Conductor/ElectrolyteI * rIon Storage EFectrode Li +TTCO _goiorSubstrate第三節(jié)晶粒間界:在材料中晶界效應(yīng)的利用尸w曰買吉由irn尸、J片式陶瓷電容器 rC 形成晶界咼電阻層3C： 電性質(zhì) vL PTC熱敏電阻K；形成晶界擴(kuò)散wo3電致變色薄膜光性質(zhì)）V-c控制晶粒生長。一透明氧化鋁陶瓷透明氧化鋁

36、陶瓷致密、晶界干凈、能抑制 晶粒長大第三節(jié)晶粒間界:在材料中晶界效應(yīng)的利用尸w曰買吉由irn尸、J片式陶瓷電容器 rC 形成晶界咼電阻層3C： 電性質(zhì) vL PTC熱敏電阻K；形成晶界擴(kuò)散wo3電致變色薄膜光性質(zhì) ）VC控制晶粒生長）透明氧化鋁陶瓷C：機(jī)械性質(zhì)怎制晶界內(nèi)棒狀顆粒形成）一高韌性Si3N4陶瓷高韌性Si3N4陶瓷u第四節(jié)分界面“卄 關(guān)注的區(qū)域第四節(jié)分界面rniwwww分界面是指兩個(gè)或數(shù)個(gè)凝集相的交界面。與前述的界面差別：具有宏觀二維尺寸條件下層與層間的界面。通常分界面有：*由氧化，腐蝕等化學(xué)作用生成的分界面（基體與表面層的界面）*由薄膜與基板間的界面*塊與塊結(jié)合界面，如熔焊或粘接的

37、界面第四節(jié)分界面44.1 Si-SiO2 分界面集成電路基板-單晶硅 Si-SiO2分界面的作用：電路中含有許多和多種半 導(dǎo)體晶體管或元件，元件隔離主要依靠SiO2。形成過程：硅表面常會有意進(jìn)行氧化，形成SiO2薄 層，從而存在著SiSiO2分界面。 Si-SiO2分界面質(zhì)量：狀況與器件、電路的性能、 成品率、可靠性等都有直接的關(guān)系。1=9士 第四節(jié)分界面Si-SiO2分界面的結(jié)構(gòu)層模型：迪安模型：約翰尼森模型非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)較多缺陷晶態(tài)Si結(jié)構(gòu)鍵 SiO2層中缺氧較 多，不飽和鍵多具有完整二維SiO2 晶格結(jié)構(gòu)，厚度約為幾個(gè)原子距界面域內(nèi)有硅夾雜 物（硅島）第四節(jié)分界面護(hù)金屬薄膜間的分界

38、面薄膜電路或一般電路中，電路的連接釆用金屬 薄膜材料（導(dǎo)電帶）。導(dǎo)電帶要求：導(dǎo)電性好、附著力高、抗蝕、抗 氧化、焊接相容性好、抗老化性能好。一般一種金屬是很難同樣時(shí)間滿足上述要求, 故釆用多層金屬薄膜結(jié)構(gòu)。雙層導(dǎo)電帶 Cr-Au 雙層 W Cr與襯底有 電性，能抗 較理想導(dǎo)電，缺點(diǎn):Cr在高溫1增加;=或生丿第四節(jié)分界面低方阻（附著力不好）扌導(dǎo)，比酒第四節(jié)分界面J-4.3金屬非金屬分界面金屬非金屬分界面：金屬被腐蝕或氧化形成新表面 層，金屬和陶瓷間封接界面。分界面的附著力和穩(wěn)定性，對性能有很大的影響。金屬非金屬交界面的結(jié)構(gòu) Ni/Mg O的分界面：*界面過渡區(qū)厚度小于40nm，有NiO微晶(1

39、0nm)存 在。*金屬Ni晶粒與基板有一定的取向關(guān)系，有利于界面能的減小，如001MgO/021Ni。Cu/Al2O3 界面Mn3O4(110)Ag(110)Ag/Mn3O4 界面Cu/Mn O界面第四節(jié)分界面(2)鏡象作用與金屬非金屬界面 的附著力金屬與非金屬界面附著力的來 源有兩種：*機(jī)械咬合作用*金屬非金屬間發(fā)生了鍵合 作用鍵合作用：*化學(xué)鍵力* Van der wasls 色散力*鏡象作用力O O Q O O O o 00000 O 0 O O Q o a ooooooo tooo000*0apooo eno a oo oOOOOQO oo OO o o oooooo第四節(jié)分界面J-(

40、a)產(chǎn)生鏡象作用的條件金屬與非金屬分界面兩邊的介電常數(shù)相差非常 大(金屬6r=8,氧化物8r10) o非金屬材料主要由離子鍵組成，在表面或界面 中易形成帶電的缺陷和雜質(zhì)。第四節(jié)分界面J-帶電的表面吸引金屬中電子偏聚在界面上，從 產(chǎn)生一個(gè)附加界面能Eim（鏡象作用能）。Eim =（史、4衍a丿t +勺丿上和勻?yàn)閮蛇叺慕殡姵?shù)分別為?！爸写嬖陔姾蒕 距界面的距離為a。當(dāng)金屬Eim是負(fù)值，能降低界面能，故產(chǎn)生 吸引力。第四節(jié)分界面J-鏡象作用力來源：素化合物中的離子電荷靠近金屬而獲得穩(wěn)定化 寮離子晶體中帶電的缺陷靠近其表面時(shí)，會產(chǎn)生 吸引作用。從物理意義來說，鏡象作用反映了電荷對可極 化媒質(zhì)的穩(wěn)定性

41、程度。在a=2k時(shí)，鏡象作用力仍能產(chǎn)生效力。距離 進(jìn)一步減小時(shí)，會由于離子晶體與金屬的電子 云重疊而產(chǎn)生巨大的排斥力。第四節(jié)分界面(b )金屬非金屬界面的附著沒有明顯互擴(kuò)散和反應(yīng)的金屬非金屬界面, 鏡象作用對附著力可起著關(guān)鍵作用。 NiO(100)面上正負(fù)離子交錯(cuò)排列，整個(gè)面呈電 中性，故當(dāng)與金屬接觸時(shí)，不會有明顯的鏡象 作用，附著力的來源圭要是Van der waals作用。 NiO(110)面上，是一層正離子層，或一層負(fù)離 子層。與金屬接觸，會有顯著的鏡象作用。如 金屬和NiO(110)面的附著力為l33Jm-%幾 乎是(100)面的1倍。_晶面上正負(fù)離子排列方式不同，會影響鏡像力。第四節(jié)

42、分界面水在純硅的表面是不潤濕的，如果硅表面生成 一層厚于40A的氧化硅，就能完全潤濕。并且 隨氧比硅厚度的增加，硅與水的接觸角而增大。半隨著氧比硅厚度的增加，缺陷（電荷）也相應(yīng) 增加。經(jīng)過估算，只要在表面層下有l(wèi)OEcm2 量級的電荷密度，就能夠完全潤濕水。=晶面上缺陷程度不同，會影響鏡像力。第四節(jié)分界面J-4.5金屬聚合物分界面大規(guī)模集成電路中，有很多金屬絕緣體界面, 其中很多絕緣體是由聚合物來承擔(dān)的。聚合物優(yōu)點(diǎn)是：為34（高速電路中釆用），可 以通過光刻（形成1pm細(xì)線），適合高速電路和 高密度封裝。金屬中原子排列是長程有序，聚合物中結(jié)構(gòu)疏 松，大分子卷曲，原子排列無序。兩者在物化性 能上

43、差別較大。因此，金屬聚合物分界面狀 態(tài)對使用性能影響很大。第四節(jié)分界面 Cu/聚酰亞胺(PI)的界面：在用蒸發(fā)方法形成 Cu/PI界面時(shí)，許多Cu原子遷移到PI中去，在 靠近PI一側(cè)聚結(jié)，還會穿透PI到一定深度。這 表明Cu之間的結(jié)合能大于Cu和PI間的作用能, Cu和PI間不會發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)。 Cr/PI界面：Cr在PI的表面分布均勻，沒有發(fā) 現(xiàn)Cr穿進(jìn)PI中生成聚合體等情況，這表明Cr 與Pl發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，阻止Cr往PI中擴(kuò)散，Cr 與PI中鏈段反應(yīng)形成Cr聚合物絡(luò)合體。金屬與聚合物的反應(yīng)程度決定金屬聚合物界 面的結(jié)構(gòu)。有穿透特性可增加附著力，但不利 于作為絕緣性能。材料表面與界面u

44、第四節(jié)分界面“卄 關(guān)注的區(qū)域第四節(jié)分界面rniwwww分界面是指兩個(gè)或數(shù)個(gè)凝集相的交界面。與前述的界面差別：具有宏觀二維尺寸條件下層與層間的界面。通常分界面有：*由氧化，腐蝕等化學(xué)作用生成的分界面（基體與表面層的界面）*由薄膜與基板間的界面*塊與塊結(jié)合界面，如熔焊或粘接的界面第四節(jié)分界面44.1 Si-SiO2 分界面集成電路基板-單晶硅 Si-SiO2分界面的作用：電路中含有許多和多種半 導(dǎo)體晶體管或元件，元件隔離主要依靠SiO2。形成過程：硅表面常會有意進(jìn)行氧化，形成SiO2薄 層，從而存在著SiSiO2分界面。 Si-SiO2分界面質(zhì)量：狀況與器件、電路的性能、 成品率、可靠性等都有直接

45、的關(guān)系。1=9士 第四節(jié)分界面Si-SiO2分界面的結(jié)構(gòu)層模型：迪安模型：約翰尼森模型非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)較多缺陷晶態(tài)Si結(jié)構(gòu)鍵 SiO2層中缺氧較 多，不飽和鍵多具有完整二維SiO2 晶格結(jié)構(gòu)，厚度約為幾個(gè)原子距界面域內(nèi)有硅夾雜 物（硅島）第四節(jié)分界面護(hù)金屬薄膜間的分界面薄膜電路或一般電路中，電路的連接釆用金屬 薄膜材料（導(dǎo)電帶）。導(dǎo)電帶要求：導(dǎo)電性好、附著力高、抗蝕、抗 氧化、焊接相容性好、抗老化性能好。一般一種金屬是很難同樣時(shí)間滿足上述要求, 故釆用多層金屬薄膜結(jié)構(gòu)。雙層導(dǎo)電帶 Cr-Au 雙層 W Cr與襯底有 電性，能抗 較理想導(dǎo)電，缺點(diǎn):Cr在高溫1增加;=或生丿第四節(jié)分界面低方阻

46、（附著力不好）扌導(dǎo)，比酒第四節(jié)分界面J-4.3金屬非金屬分界面金屬非金屬分界面：金屬被腐蝕或氧化形成新表面 層，金屬和陶瓷間封接界面。分界面的附著力和穩(wěn)定性，對性能有很大的影響。金屬非金屬交界面的結(jié)構(gòu) Ni/Mg O的分界面：*界面過渡區(qū)厚度小于40nm，有NiO微晶(10nm)存 在。*金屬Ni晶粒與基板有一定的取向關(guān)系，有利于界面能的減小，如001MgO/021Ni。Cu/Al2O3 界面Mn3O4(110)Ag(110)Ag/Mn3O4 界面Cu/Mn O界面第四節(jié)分界面(2)鏡象作用與金屬非金屬界面 的附著力金屬與非金屬界面附著力的來 源有兩種：*機(jī)械咬合作用*金屬非金屬間發(fā)生了鍵合

47、作用鍵合作用：*化學(xué)鍵力* Van der wasls 色散力*鏡象作用力O O Q O O O o 00000 O 0 O O Q o a ooooooo tooo000*0apooo eno a oo oOOOOQO oo OO o o oooooo第四節(jié)分界面J-(a)產(chǎn)生鏡象作用的條件金屬與非金屬分界面兩邊的介電常數(shù)相差非常 大(金屬6r=8,氧化物8r10) o非金屬材料主要由離子鍵組成，在表面或界面 中易形成帶電的缺陷和雜質(zhì)。第四節(jié)分界面J-帶電的表面吸引金屬中電子偏聚在界面上，從 產(chǎn)生一個(gè)附加界面能Eim（鏡象作用能）。Eim =（史、4衍a丿t +勺丿上和勻?yàn)閮蛇叺慕殡姵?shù)分別

48、為?！爸写嬖陔姾蒕 距界面的距離為a。當(dāng)金屬Eim是負(fù)值，能降低界面能，故產(chǎn)生 吸引力。第四節(jié)分界面J-鏡象作用力來源：素化合物中的離子電荷靠近金屬而獲得穩(wěn)定化 寮離子晶體中帶電的缺陷靠近其表面時(shí)，會產(chǎn)生 吸引作用。從物理意義來說，鏡象作用反映了電荷對可極 化媒質(zhì)的穩(wěn)定性程度。在a=2k時(shí)，鏡象作用力仍能產(chǎn)生效力。距離 進(jìn)一步減小時(shí)，會由于離子晶體與金屬的電子 云重疊而產(chǎn)生巨大的排斥力。第四節(jié)分界面(b )金屬非金屬界面的附著沒有明顯互擴(kuò)散和反應(yīng)的金屬非金屬界面, 鏡象作用對附著力可起著關(guān)鍵作用。 NiO(100)面上正負(fù)離子交錯(cuò)排列，整個(gè)面呈電 中性，故當(dāng)與金屬接觸時(shí)，不會有明顯的鏡象 作用

49、，附著力的來源圭要是Van der waals作用。 NiO(110)面上，是一層正離子層，或一層負(fù)離 子層。與金屬接觸，會有顯著的鏡象作用。如 金屬和NiO(110)面的附著力為l33Jm-%幾 乎是(100)面的1倍。_晶面上正負(fù)離子排列方式不同，會影響鏡像力。第四節(jié)分界面水在純硅的表面是不潤濕的，如果硅表面生成 一層厚于40A的氧化硅，就能完全潤濕。并且 隨氧比硅厚度的增加，硅與水的接觸角而增大。半隨著氧比硅厚度的增加，缺陷（電荷）也相應(yīng) 增加。經(jīng)過估算，只要在表面層下有l(wèi)OEcm2 量級的電荷密度，就能夠完全潤濕水。=晶面上缺陷程度不同，會影響鏡像力。第四節(jié)分界面J-4.5金屬聚合物分

50、界面大規(guī)模集成電路中，有很多金屬絕緣體界面, 其中很多絕緣體是由聚合物來承擔(dān)的。聚合物優(yōu)點(diǎn)是：為34（高速電路中釆用），可 以通過光刻（形成1pm細(xì)線），適合高速電路和 高密度封裝。金屬中原子排列是長程有序，聚合物中結(jié)構(gòu)疏 松，大分子卷曲，原子排列無序。兩者在物化性 能上差別較大。因此，金屬聚合物分界面狀 態(tài)對使用性能影響很大。第四節(jié)分界面 Cu/聚酰亞胺(PI)的界面：在用蒸發(fā)方法形成 Cu/PI界面時(shí)，許多Cu原子遷移到PI中去，在 靠近PI一側(cè)聚結(jié)，還會穿透PI到一定深度。這 表明Cu之間的結(jié)合能大于Cu和PI間的作用能, Cu和PI間不會發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)。 Cr/PI界面：Cr在PI

51、的表面分布均勻，沒有發(fā) 現(xiàn)Cr穿進(jìn)PI中生成聚合體等情況，這表明Cr 與Pl發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，阻止Cr往PI中擴(kuò)散，Cr 與PI中鏈段反應(yīng)形成Cr聚合物絡(luò)合體。金屬與聚合物的反應(yīng)程度決定金屬聚合物界 面的結(jié)構(gòu)。有穿透特性可增加附著力，但不利 于作為絕緣性能。課堂討論：從這兩張?zhí)沾呻娮语@微鏡形貌照片，能判斷出這兩種材料是多相陶瓷還是單相陶瓷嗎？為什么?弟描）電子顯微鏡照片T形貌特征 “相”能根據(jù)形貌特征判斷嗎？ “概念或原理” T多晶粒體系其界面（晶界）間的 幾何特征不同界面能晶界相互角度的關(guān)系形貌特征。電子顯微鏡照片判斷是可以的條件為：熱力學(xué)平衡+完全致密E第二章表面與界面的電子過程材料最基本的

52、電學(xué)性能是導(dǎo)電率（宏觀特性）材料的導(dǎo)電率實(shí)際上取決于電子在材料中的微 觀運(yùn)動狀態(tài)電子運(yùn)動狀態(tài)：能量、運(yùn)動的范圍第二章表面與界面的電子過程第二章表面與界面的電子過程電子運(yùn)動的特點(diǎn)：微質(zhì)點(diǎn)、高速度運(yùn)動不可能確定某電子在時(shí)間出現(xiàn)在某空間的位 置T空間出現(xiàn)的概率（電子云及密度）第二章表面與界面的電子過程表能量不連續(xù)T能級無數(shù)電子形成一個(gè)系統(tǒng)以后（即在材料中），電子運(yùn)動能量特性（范圍）T能帶非定域態(tài)導(dǎo)帶定域態(tài)價(jià)帶外層電子電子與核 結(jié)合能內(nèi)層電子第二章表面與界面的電子過程決定電子運(yùn)動狀態(tài)是主要取決于對電子的作用 勢（V）（原子核、電子間）具體電子運(yùn)動狀態(tài)是通過薛定鄂方程求出電子 的波函數(shù)（W）及其對應(yīng)的本

53、征能量（E）。+ V (x) w (x) = E W (X)力2 d 2 2m dx2第一節(jié)晶體電子的表面勢第一節(jié)晶體電子的表面勢要了解表面電子運(yùn)動狀態(tài)，除了與體內(nèi)相同勢 場外，還必須知道對電子作用的表面勢場。1.1表面勢的主要成分電子在表面運(yùn)動時(shí)會受到多種作用，勢場 VST(r)由以下三部分組成：VsT(r)=Vcore(r) + Ves(r) + Vzc(r) / Vcre(r)：價(jià)電子與離子芯的交換勢和相關(guān)勢Ves(r):離子芯和價(jià)電子產(chǎn)生的總靜電勢Vzc(r):價(jià)電子間的交換和相關(guān)頁空能級h 第一節(jié)晶I-2 % Ves 和 Vc-對總表 C !Z Si（111）表面區(qū)域勢|值大極帯_價(jià)

54、一I 1(A*.二) L勢體一均一平一舛柜禰 -蕓)1-一一r-價(jià)帶極小值硅價(jià)帶寬度為125eV,平均體勢能約在價(jià)帶底上 面約27eV處。體內(nèi)平均勢能與真空電子能級的差約148eV,可 看成總表面勢。平均體勢能與Ev,max間的差（9.6 eV）可看成為價(jià) 電子間的相關(guān)和交換勢（Vzc）。第二節(jié)表面態(tài)第二節(jié)表面態(tài)在表面或界面處，晶體的周期性勢場突然發(fā)生 中斷或明顯的畸變，產(chǎn)生了明顯區(qū)別于體內(nèi)的 特殊勢場。經(jīng)薛定鄂方程計(jì)算，這樣的特殊勢場，會形成 特殊的解，即產(chǎn)生了特殊電子狀態(tài)，這些區(qū)別 于體內(nèi)的電子狀態(tài)稱為表面態(tài)或界面態(tài)。第二節(jié)表面態(tài)2.1表面態(tài)的產(chǎn)生原因和特征(1)晶體中的電子能帶在晶體內(nèi)，

55、電子感受到的是周期性勢場。電子 在這樣的勢場作用，其運(yùn)動規(guī)律用電子的波函 數(shù)Bloch波描述。Wk (r ) = Uk (rr ur (r) = uk (r + Rn )kn = n(n / a1 + n2 / a2 + n3 / a3)上式中k為波矢，a2, a3為晶格(胞)常數(shù)，r為電子 的位置矢量，n1, n2, n3為任意整數(shù)。第二節(jié)表面態(tài)能量E(k)隨k值對稱而單調(diào)地變 化，在布里淵區(qū)的邊界能量發(fā)生“不連續(xù)”變化AE。 “連續(xù)”區(qū)為能帶，“不連續(xù)區(qū)”為禁帶。波矢k決定了電子的波函數(shù)以及電子的能量, k的可取之值要滿足一定的邊界條件，所以是量子化的。k值所在的范圍稱布里淵區(qū)AES)4.

56、 第二節(jié)表面態(tài)(2)表面電子態(tài)當(dāng)表面形成后，體內(nèi)周期性勢場中斷，波函數(shù) 轉(zhuǎn)改成一個(gè)漸消Bloch波：Wk( Z ) = dfk( z) Z + naz )|2 = e 2 nk 電z )離表面2az(az=a3)處，電子幾率為上式波函數(shù)沿著表面垂直方向向體內(nèi)指數(shù)衰減，即處于這種 狀態(tài)的電子，只有在表面附近出現(xiàn)的幾率最大。即被定域在表 面，相應(yīng)的狀態(tài)和能級稱為表面電子態(tài)和表面能級。如Ge(100)上,表面未配對表面態(tài)能量距帶邊0leV，則其表面 態(tài)波函數(shù)經(jīng)過7層之后衰減到其極值的20%；第二節(jié)表面態(tài)金屬、氧化物、半導(dǎo)體表面態(tài)的特點(diǎn)金屬沒有禁帶，體電子在Fermi能級處的能級 (Ef)密度很高，因

57、此金屬的表面態(tài)很難與體態(tài) 區(qū)分開。金屬氧化物等塊狀材料有禁帶，在禁帶中充滿 各種各樣的附加能級(如電子和空穴的陷阱、 色心等)，表面態(tài)也很難從以上的附加能級中 區(qū)別開。半導(dǎo)體具有適當(dāng)寬度的禁帶，可形成純度和完 整性非常高的材料，只有極少量的體內(nèi)缺陷， 因此在半導(dǎo)體中的表面態(tài)很容易檢測。第二節(jié)表面態(tài)表面態(tài)的種類(1)表面態(tài)密度塊狀材料中電子態(tài)g(E)來表 示為：g(E)dE = E Ei)所有態(tài)表示在能量EE+dE間隔范圍內(nèi)的允許電子態(tài)數(shù)。對于表面態(tài)(局部定域態(tài))密度g(E, r)為:g (E,汗)= W 阮(r )|3( E - Ei)所有態(tài)第二節(jié)表面態(tài)經(jīng)處理表面電子態(tài)可表示為g(E) = N

58、g(E, 0), N是表面原子的總數(shù)。表面電子態(tài)(定域態(tài))密度g(E, RJ與總態(tài)密度 g(E )的區(qū)別：*g(E,虬)對表面某個(gè)原子虬而言，一般在表 面附近有較大數(shù)值，向晶體內(nèi)部作指數(shù)衰減；米表面上的電子態(tài)是指T正常晶格勢+表面晶 格勢引起電子狀態(tài)數(shù)第二節(jié)表面態(tài)(2)本征表面態(tài)與外誘表面態(tài)清潔表面上所存在的電子態(tài)稱為本征表面態(tài) (Tamm 態(tài)和 Shockley 態(tài))。實(shí)際上清潔表面上的電子態(tài)要比Tamm和 Shockley描述電子態(tài)復(fù)雜得多。這些多余表面態(tài) 來自于重構(gòu)、弛豫臺階和空位等表面缺陷。當(dāng)表面吸附外來雜質(zhì)，發(fā)生電子交換，產(chǎn)生了附 加的表面態(tài)。機(jī)械和化學(xué)加工引起缺陷，也會產(chǎn) 生相應(yīng)的

59、表面態(tài)，稱為外誘表面態(tài)、又稱非本征 表面態(tài)。第二節(jié)表面態(tài)本征表面態(tài)的類型定域表面態(tài)可能是以能級或能帶形式存在，可 處在禁帶內(nèi)，也可延伸到導(dǎo)帶或價(jià)帶之中。(a)兩個(gè)不連續(xù)的能級;(b)兩個(gè)能帶；(c)兩帶交迭;(d)類sh帶; 帶；分布有各種可能的非本征表面態(tài)；/)(e)類離子第三節(jié)清潔表面的電子結(jié)構(gòu)3.1金屬清潔表面的電子結(jié)構(gòu)(1)簡單金屬表面 Na表面電子電荷密度ps、靜電勢 Ves和總表面自治勢Vst與表面垂 直距離的關(guān)系。 Na的表面勢高度約為Ef能級的 兩倍。-0. 6 I -0. 20 0. 2 0. 4。.6 0. 88 -OU距離z (單位2項(xiàng))Ps、s、Vst與Z的關(guān)系_ 第三

60、節(jié)清潔表面的電子結(jié)構(gòu)第三節(jié)清潔表面的電子結(jié)構(gòu)（2）過渡金屬的清潔表面過渡金屬在表面磁性、化學(xué)吸附、催化等方面 有重要作用。具有d能帶的過渡金屬Ni和Cu的表面電子結(jié)構(gòu) 計(jì)算表明，在Ni中存在比Ef能級低45eV的表 面態(tài)。在Cu中存在比Ef能級低56eV的表面態(tài), 具有Schockley態(tài)的特征。第三節(jié)清潔表面的電子結(jié)構(gòu)3.2半導(dǎo)體清潔表面的電子結(jié)構(gòu)(1) Si(111)1x1 表面態(tài) Si(111)1x 1非重構(gòu)表面形成原因：(a)表面 原子在晶面上的位置與體內(nèi)一致，稱非弛豫狀 態(tài)；(b)表面原子占據(jù)正常格點(diǎn)位置，但向 內(nèi)弛豫1/3A。在Si(111)1x 1非弛豫結(jié)構(gòu)中，在體禁帶之內(nèi)的 表