第二讲表面科学与工程的基础理论.pptx

表面科学与工程 第二讲 表面科学与工程的基础理论(1);主要内容;一、表面晶体学;1. 理想表面;2. 洁净表面;（1）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(缩小或增大)的现象，即表面附近的点阵常数在垂直方向上不同与晶体内部。 ;（2）重构：表面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶面，表面重构能使表面结构发生质的变化。;（3）台阶化：指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成。;（4）偏析和吸附：指化学组分在表面区的变化。;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4～6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层子范围。 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 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 螺位错：表面形成台阶 ; (1)刃型位错 ：正刃型位错（ ）、负刃型位错( );刃型位错的几何特征： (1)位错线与其滑移矢量d垂直，刃型位错可以为任意形状的曲线。 (2)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正刃型位错，用符号“┻”表示，反之为负刃型位错，用“┳”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子面左右对称。;(2)螺型位错：左螺型位错、右螺型位错;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。;洁净表面的获得;1．在真空中解理晶体 金属(合金)沿某些严格的结晶学平面发生分离的断裂(穿晶)称为解理。 在真空条件下，使金属产生解理，可获得清洁表面。 受可解理的材料和平面的限制，仅能解理几种金属的单晶，如铍、锌、铋和 锑等。 2．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 已成功地用来清洁一些难熔的金属表面(如钨和铌等金属表面)，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??体表面;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; 表面粗糙度（surface roughness）;金属表面形貌对其表面特性的影响 ①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。 ②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，也可为塑性接触。 ③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。 ④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。 ;抛光金属表面附近;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。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，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。 ; 表面成分;FeO;1.基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面 微晶层(贝尔比层(Beilby)层)：1-100nm厚的晶粒微小的微晶层。 塑性变形层：塑变程度和它的深度有关。 其它变质层： (1)形成孪晶：Zn, Ti等密排六方结构的金属表层会形成孪晶; (2)发生相变：18-8型奥代体不锈钢，β黄铜、淬火钢中的残余奥氏体，高锰钢等会形成相变层； (3)发生再结晶：Sn、Pb、Zn等低熔点金属加工后表层能够形成再结晶层。 (4)发生时效和出现表层裂纹等。;粗晶环;;固体表面的物理吸附和化学吸附;;固体对气体的吸附 ;物理吸附与化学吸附的区别;（4）吸附层厚度不同 化学吸附是单层覆盖，一旦整个表面被单分子覆盖，化学吸附就达到饱和，终止。当进一步输入气体时，或者形成物理吸附，或者形成化合物。 （5）吸附态的光谱不同 物理吸附只能使原吸附分子的特征吸附峰发生某些位移，或强度改变，而化学吸附会在光谱区产生新的吸收峰。 ;物理吸附与化学吸附的区别;物理吸附和化学吸附的联系;吸附的定量分析（自学）;吸附实例;固体对液体的吸附与润湿 ;溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同。 正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大。 负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。 ;影响固体对液体吸附力的因素： 固体表面的粗糙度 固体表面的污染程度 液体表面的表