第二章 固體表面特性

第二章固體表面特性第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)固體表面結(jié)構(gòu)固體材料：固體材料是工程技術(shù)中最普遍使用的材料。它的分類方法很多。例如按照材料特性，可將它分為：金屬材料、無機非金屬材料有機高分子材料三類。第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日固體材料按所起的作用可分為:結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性能為主的工程材料，主要用來制造工程建筑中的構(gòu)件，機械裝備中的零件以及工具、模具等。第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日功能材料功能材料是利用物質(zhì)的各種物理和化學(xué)特性及其對外界環(huán)境敏感的反應(yīng)，實現(xiàn)各種信息處理和能量轉(zhuǎn)換的材料（有時也包括具有特殊力學(xué)性能的材料）。這類材料常用來制造各種裝備中具有獨特功能的核心部件。第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日二、材料表面

固體材料的界面有三種：（l）表面——固體材料與氣體或液體的分界面。（2）晶界（或亞晶界）——多晶材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒（或亞晶）之間的界面。（3）相界——固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日表面：固－固界面固－液界面固－氣界面固體材料與氣體界面：（1）清潔表面（2）實際表面（3）理想表面（實際上不存在）第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日清潔表面清潔表面——經(jīng)過諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場效應(yīng)蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、分子束外延等特殊處理后，保持在10－6Pa－10－9Pa超高真空下外來沾污少到不能用一般表面分析方法探測的表面。第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日實際表面實際表面——暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過一定加工處理（如切割、研磨、拋光、清洗等），保持在常溫和常壓（也可能在低真空或高溫）下的表面。（也稱吸附表面）第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)表面晶體學(xué)固體材料通常以晶態(tài)和非晶態(tài)形式存在于自然界。這里主要以晶態(tài)物質(zhì)來介紹表面結(jié)構(gòu)。第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日一、理想表面結(jié)構(gòu)理想表面是一種理論的結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面。這里忽略了晶體內(nèi)部周期性勢場在晶體表面中斷的影響，也忽略表面上原子的熱運動以及出現(xiàn)的缺陷和擴散現(xiàn)象，又忽略表面外界環(huán)境的作用等，因而把晶體的解理面認(rèn)為是理想表面。第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日1．二維晶格的周期性與對稱性二維點陣除了平移群和點移群兩種基本對稱操作外，還存在鏡像滑移群。二維點陣中存在10種點群鏡像滑移群與點群結(jié)合，共得到17種二維對移群，如表2-2所示。2．晶列與晶列指數(shù)3．二維倒易格子第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日二、清潔表面結(jié)構(gòu)

1．清潔表面的一般情況依熱力學(xué)的觀點，表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，達到這種穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種：一是自行調(diào)整，原子排隊列情況與材料內(nèi)部明顯不同；二是依靠表面成分偏析和表面對外來原子或分子的吸附以及兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)，因而使表面組分與材料內(nèi)部不同。第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般大約要經(jīng)過4～6個原子層之后才與體內(nèi)基本相似，所以晶體表面實際上只有幾個原層子范圍。晶體表面的缺陷：平臺、臺階、扭折、表面吸附、表面空位、位錯。各種材料表面上的點缺陷類型和濃度都依一定條件而定，最為普遍的是吸附。第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日TLK模型單晶表面的TLK模型已被低能電子衍射（LEED）等表面分析結(jié)果所證實第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日2．表面弛豫：

表面上原子相對于正常位置的位移。晶體的三維周期性在表面處突然中斷，表面上原子的配位情況發(fā)生變化，并且表面原子附近的電荷分布也有改變，使表面原子所處的力場與體內(nèi)原子不同，因此表面上的原子會發(fā)生相對于正常位置的上下位移以降低體系的能量。表面馳豫的最明顯處是表面第一層原子與第二層之間距離的變化，越深入體相，弛豫效應(yīng)越弱，并且是迅速消失。第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日3．表面重構(gòu)在平行基底的表面上，原子的平移對稱性與體內(nèi)顯著不同，原子位置作了較大幅度的調(diào)整，這種表面結(jié)構(gòu)稱為重構(gòu)（或再構(gòu)）。R（hkl）－p×q－D式中R表示基底材料的符號；（hkl）為基底平面的密勒指數(shù)；D是表面覆蓋層或沉積物質(zhì)的符號。P、q為整數(shù)，即表面晶格基矢與基底晶格的基矢平行，但長度不等。第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日通用表面晶格的矩陣表示：第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日4.表面臺階結(jié)構(gòu)（清潔表面的臺階結(jié)構(gòu)）臺階結(jié)構(gòu)表示為：R（S）-[m(hkl)×n(h’k’l’)]-[uvw]式中R表示臺階表面的組成元素；（S）為臺階結(jié)構(gòu)；m表示平臺寬度為m個原子列（晶列）；（hkl）為平臺的晶面指數(shù)；n表示臺階的原子層高度；（h’k’l’）為臺階側(cè)面的晶面指數(shù)；[uvw]為平臺與臺階相交的原子列方向。第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日三、實際表面結(jié)構(gòu)（一）實際表面的一般情況1．表面粗糙度從宏觀看，經(jīng)過切削、研磨、拋光的固體表面似乎很平整，然而從微觀角度觀察會發(fā)現(xiàn)表面有明顯的起伏、同時不可能有裂縫、空洞等。（1）

輪廓算術(shù)平均偏差：Ra（2）

微觀不平度+點高度：Rz（3）

輪廓最大高度：Ry第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日2．貝爾比層和殘余應(yīng)力固體材料經(jīng)過切削加工后，在幾個微米或者十幾個微米的表層中可能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的劇烈變化，既造成一定程度的晶格畸變。這種晶格的畸變隨深度變化，而在最外的，約5nm-10nm厚度可能會形成一種非晶態(tài)層。這層非晶態(tài)稱為貝爾比層。其成分為金屬和它的氧化物，而性質(zhì)與體內(nèi)明顯不同。貝爾比層具有高的耐磨性和耐蝕性。第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日材料經(jīng)各種加工、處理后普遍存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力按其作用范圍分為兩類：宏觀內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力殘余應(yīng)力第二十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日3.表面氧化、吸附和沾污（二）吸附表面層結(jié)構(gòu)外來原子