表面工程学89110.doc

第二章 表面工程技术的物理、化学基础 2.1 固体的表面与界面 固体：能承受应力的刚体材料，在室温下其原子在相对的固定位置上振动。从物质结构形态上看，可分为晶体和非晶体两类 表面与界面的区别 界面：以两个均匀相为分界的面，它随相的种类不同而有相当不同的特征。S/S，S/G，S/L 表面：固体表面的物理化学性能常与其内部的不同，这是因为在热力学平衡条件下，表面的化学组分、原子排列、原子振动状态等等都与体内不同。S/G，S/L 理想表面：在理论上，近似地假设除了固－气界面的几何限制外，而系统不发生任何变化的表面称为理想表面。 理想表面是一种理论的结构完整的二维点阵平面。这里忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，也忽略表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象，又忽略表面外界环境的作用等，因而把晶体的解理面认为是理想表面。 单种原子组成的某物质，其理想表面的形成过程可想象按两步进行 首先，将固体切开，分割面垂直于固体表面，于是新表面暴露出来，但是新表面上的原子仍留在原来晶体结点的位置上。 第二步，新表面上的原子将排列到各自的受力平衡位置上去。 洁净表面：不存在任何污染的化学纯表面 是经过如离子轰击、高温脱附、超高真空条件下的解理、蒸发薄膜、化学反应、场致蒸发、分子束外延等特殊处理后，保持在10－6～10－9Pa超真空下外来污染少到不能用一般表面分析方法探测的表面。 洁净表面：晶体表面的成分和结构不同于晶体内部，一般大约要经过4－6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子层范围。 在原子洁净的表面上，可发生多种与基体内不同的结构和成分变化，诸如弛豫、重构、台阶化、偏析、吸附等等。 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原子间距（缩小或增大，也可以是有些原子间距增大，有些减小） 重构 ：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整 偏析 ：表面原子是从体内分凝出来的外来原子 台阶：表面不是原子级的平坦，表面原子可以形成台阶结构 化学吸附 ：外来原子（超高真空条件下主要是气体）吸附于表面并以化学键合 化合物： 外来原子进入表面，并与表面原子键合形成化合物 实际表面：暴露于未加控制的大气环境中的固体表面，或经一定加工处理（诸如清洗、抛光、研磨、切割等等）保持在常温常压或低真空或高温下的表面。 表面吸附、氧化和沾污 吸附：固体表面吸引气体与之结合，以降低固体表面能的作用 化学反应：固体与气体的分子或离子间以化学键相互作用，形成新的物质，整个固体的能量发生显著的变化。 在工业环境中被污染的实际金属材表面示意 机械加工过的表面 表面粗糙度：不平整性包括波纹度和粗糙度——加工方法和材料本性，粗糙度的表示方法：Ra，i=A i/ A l 。粗糙度：影响膜层与基体材料的结合力，是表征 表面状态的重要指标之一 典型固体界面：基于固体晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面BILBY层＋塑变层 基于固相组织或结晶结构差异形成的界面 例：钢表面淬火。表面显微结构是马氏体结构为主，心部仍是原来的退火状态，中间是马氏体＋铁素体＋珠光体过渡区。 基于固相宏观成分差异形成的界面 贝尔比层：固体材料经切削加工后，在几μm或者十几μm的表层中可能发生组织结构的剧烈变化。这种晶格畸变是随深度变化的，而在最外的，约5nm～10nm厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝尔比层 贝尔比层特点 ：益处：具有较高的耐磨性和耐蚀性，在机械制造时可以利用。害处：对制作电子器件不利，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，因为它会感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件的性能。 表面晶体结构 ：二维的布拉菲晶格（点阵）加上结点来描述，二维无限点阵。 TLK模型(Terrace-Ledge-Kink)：各种缺陷的平台，还是台阶和扭折都会对表面的一些性能产生显著的影响 图2－3 单晶表面的TLK模型 表面扩散 ：扩散：物质中原子（分子）的迁移现象称为扩散。FICK1,2定律。 Q表〈Q界〈Q位〈Q体，Q：扩散激活能 D表 〉D界〉D位 〉D体，D：扩散系数 表面能：材料表面的内能；产生1cm2新表面需要消耗的等温可逆功。 表面张力 固体表面的吸附 ：分类：物理吸附：范德华力。化学吸附：化学键力 固对气吸附：常见气体对大多数金属而言，吸附强度有顺序：O2 〉C2H2 〉C2H4CO 〉H2 〉CO2 〉N2 固体对液体的吸附 固体对固体的吸附 莱宾杰尔效应 固体表面的润湿 润湿现象和机理 当θ90?时，为润湿。θ越小，润湿性越大，液体在表面的展开能力越强。 当θ=0?时，为完全润湿。液体在表面完全铺展开来 当θ90?