材料表面与界面(全套215页课件课件).pptxVIP

第一章 表面与界面的原子结构;一般清洁表面是指经离子轰击加退火

热处理后的单晶表面。

由于原子在体内部和在表面受到力不

同，则引起表面原子的排列与内部有

较为明显的差别。

这种差异经过4～6层之后，原子的排

列与体内已相当接近，这个距离也可以看作是实际清洁表面的范围。;1.1 描述清洁表面原子排列结构的符号

表面原子的排列方式虽然与体内有差别, 但表面原子仍作对称和周期性的排列，常看成是二维格子。;伍德标记法;如果as1和as2间的夹角同a1和a2的夹角一样，表面原子的排

列形式转过一个角度α，则伍德简式符号的表示为;1.2清洁表面的原子排列

由于表面排列突然发生中断，表面原子受力(化学键)情况发

生变化，总效应是增大体系的自由能。;几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图;(1)弛豫

表面区原子(或离子)间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞

结构基本不变,这种情况称弛豫。

离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，这是一种长程作用。

弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，一

般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对

称性发生了变化。

表面弛豫后常会存在电矩(电偶极子)。;(2)重构;1.3清洁表面的缺陷;点缺陷

在平台上可能存在各种点缺陷，最为普遍的就是吸附(或偏析)的外来杂质原子。

由于有表面能，表面原子的活动能力较体内大, 形成点缺陷的能量小。因此表面上的热平衡点缺陷浓度远大于体内。

表面上的正负离子空位对、空位团簇、杂质空位对(团)也是一种表面点缺陷。

线缺陷

位错往往要在表面露头,可以将它看作是直径为原子尺寸的一根管道,从体内通到表面。如果是螺位错,则在表面形成一个小台阶。;1.4表面原子结构对材料科学与工程的作用

功能薄膜的外延生长

功能材料(光、电等)一般都各向异性；晶态时性能指标最佳；

薄膜器件和集成电路需要材料薄膜化；最理想是形成单晶薄

膜。

在一种单晶表面上生长出单薄膜称为外延生长。表面上能否

生长成一层单晶薄膜极大地取决于表面晶面的晶格常数和缺陷。;;2.l表面粗糙度;(1)表面粗糙度定量值

当比较不同表面粗糙程度的大小时，需要有定量或测量粗

糙程度的方法。

测量方法：选用一条轮廓中线(m), 中线是一条理想的线，在此线上粗糙度为零。;(a)轮廓算术平均偏差Ra.

在取样长度l内,测量表面上一些点距中线m的距离y1,y2,…,yn,取其绝对值的算术平均值。

y7;(b)微观不平整十点高度Rz;(c)轮廓最大高度Ry

在取样长度内，除去个别明显的偏离值之后，过最高峰和最低谷，分别作平行于中线的平行线，这两条平行线间的距离称轮廓最大高度，以Ry表示。;(2)表面粗糙系数R

对于一些多晶材料、薄膜材料以及有孔的材料，它们形状复杂,除了外表面外还有内表面。一般采用粗糙系数R来表示。

R=Ar/Ag

式中Ag为几何表面，Ar为实际表面。Ar一般是通过吸附试验按照吸附公式计算出来的。如果表面不平整,而且有孔，Ar就大,R也就大。;加工方式与粗糙系数;(3)粗糙度对材料或应用的影响

材料表面受力的影响

由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互接触时,真实接触面积与表观接触面积差别较大。

在实际应用中，表观面积与加工方式和负荷无关。而真实接触面积会随受力负荷而改变：

负荷为2kg时，则真实接触面积只是表观面积的l/100,000。负荷为100kg时，真实接触面积为表观面积的l/200；;2.2表面的组织(微观结构)

材料学角度考察结构时：关心nm??m?mm范围内结构特征(晶体？晶体种类？颗粒尺寸？)?微观结构

实际表面：由于经过加工而成，材料表面微观结构也

与体内有相当不同。;实际表面微观结构特征

金属材料

一般金属材料表面要通过研磨抛光而成，表面在结构和组

成上都会发生变化

在距表面1?m内，晶粒尺寸与体内显著不同。离表面0.3?m的范围,晶粒尺寸很细,在最表面层为以非晶态存在?贝尔比层

贝尔比层微晶区

明显变形区;;贝尔比层形成与作用

抛光时抛光剂磨去表面层原子，下面一层在瞬间内保持流

动性(熔化),在凝固前，由于面表面张力的作用使表面变得平

滑。

由于金属有高的热导率，表面层又迅速地凝固成20?左右的非晶态层。

对于金属和合金来说，它们的抛光表面大都有一层贝尔比层，其成分是金属和它的氧化物的混合物。贝尔比层可起到耐蚀、强化的作用。。;(b)无机非金属材料

抛光表面的特征

从微观结构层次来看，抛光后表面会产生形变。其变形程度

与硬度有关。表面层结构仍可能由非晶态、微晶和小晶块组成。

表面层的厚度有限。微观结构与内部差别不象金属那样大。

表面的缺陷可能比