材料表面与界面分析复习题.doc

1表面、界面的定义与理解：表界面是由一个相过渡到另一相的过渡区域。习惯上把固气、液气的过渡区域称为表面，而把固液、液液、固固的过渡区域称为界面。 根据物质的聚集态，表界面通常可以分为以下五类：固气；液气；固液；液液；固固；物理表面包括：理想表面、清洁表面、吸附表面 表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。2 理想表面理论前提：不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等；不考虑外界对表面的物理-化学作用等；认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位置与结构是半无限的，与体内完全一样。3何为清洁表面？清洁表面获得方法？指不存在任何污染的化学春表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。获得清洁表面的几种方法: 在获得超高真空的同时获得清洁的表面。用简单的加热方法去除表面的沾污。在化学气氛中加热去除那些通过简单加热不能清除的化学吸附沾污。对于较顽固的沾污，可以利用惰性气体离子（如Ar+、Ne+）轰击表面而有效地清除污染。对于一些晶体，可以采用沿特定的晶面自然解理而得到清洁表面。在适当的基片上通过真空蒸发法获得预想的单晶和多晶薄膜，作为研究对象的清洁表面。4 根据原子结构的不同清洁表面分哪几种？ 图示说明（PPT）弛豫表面：指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。可能涉及几个原子层。重构表面：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。台阶结构：表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。由于晶体内部缺陷的存在等因素，使晶体内部应力场分布不均匀，加上在解理晶体对外力情况环境的影响，晶体的解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理，而是伴随着相邻的倾斜晶面的开裂，形成层状的解理表面。它们由一些较大的平坦区域和一些高度不同的台阶构成，称为台面台阶拐结（TerraceLedgeKink）结构，简称台阶结构或TLK结构。表面偏析：杂质由体内偏析到表面，使多组分材料体系的表面组成与体内不同。吸附表面：在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。5吸附类型有哪些？画图说明（PPT）顶吸附；桥吸附 ；填隙吸附 ；中心吸附 6 典型材料的工程表面示意图及表面成分（PPT）7 解释表面原子的压缩效应、驰张效应、起伏效应及双电层效应，并图示说明（PPT）压缩效应：表面原子失去空间方向的相邻原子后，体内原子对表面原子的作用，产生了一个指向体内的合力，导致表面原子向体内的纵向弛豫。驰张效应：在少数晶体的某些表面发生原子向体外移动的纵向弛豫，造成了晶体的膨胀。这种情况多由于内层原子对表层原子的外推作用，有时也由于表面的松散结构所致。即表面层内各原子间的距离普遍增大，并且可波及表面内几个原子层，造成晶体总体在某一方向的膨胀。起伏效应：对于半导体材料如Ge、Si等具有金刚石结构的晶体，可以在（111）表面上观察到，有的原子向体外方向弛豫，有的原子向体内弛豫。而且这俩种方向相反的纵向弛豫是有规律地间隔出现的，即有起有伏，称为起伏效应。双电层效应：对于多原子晶体，弛豫情况将更加复杂。在离子晶体中，表层离子失去外层离子后，破坏了静电平衡，由于极化作用，造成了双电层效应。8 什么是表面探针？用于表面分析的探针应满足的要求？一般地说，表面探针是利用一种探测束如电子束、 离子束、光子束、中性粒子束等，有时还加上电场、磁场、热等的作用，来探测材料的形貌、化学组成、原子结构、原子状态、电子状态等方面的信息。要求：与表面层物质有较强的相互作用。（由于表面层极薄，如果表面探针与表面互作用弱，就难以用较大的信噪比把表面的特有信息携带出来。）探针基本不穿透表面。（一旦探针粒子进入体内，必然把体内信息同时引出。）在探针未获得信息前不得破坏表面原子结构。灵敏度、分辨率高。（一般分辨尺寸应小于或远小于原子间距。原子间距大约在13左右，故采用微观粒子束，如电子、短波光子、轻离子等做表面探针材料可以达到要求。）9 常见的表面探针都有哪些？图示表面探针与表面的相互作用电子束、 离子束、光子束、中性粒子束等；图PPT10 写出下列表面分析方法的中文及英文全称：AES-（Auger Electron Spectroscopy)俄歇电子谱LEED-(Low Energy Electron Diffraction)低能电子衍射RHEED-(Reflection High Energy Electron Diffraction)反射高能电子衍射EELS-(Electron Energy Loss Spectroscopy)电子能量损失谱HREELS-(High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy)高分辨电子能量损失谱FIM-(Field Ion Microscopy)场离子显微镜FEM-(Field Emission Microscopy)场发射显微镜PEEM-(Photo Emission Electron Microscopy)光发射电子显微镜XRD-（X-Ray Diffraction)X射线衍射UPS-(Ultraviolet Photoemission Spectroscopy)紫外线光电子谱XPS- (X-ray Photoemission Spectroscopy)X射线光电子谱SERS- (Surface Enhanced Raman Spectroscopy)表面增强拉曼光谱IRAS- (Infrared Absorption Spectroscopy)红外吸收光谱ISS-（Ion Scattering Spectroscopy)离子溅射扫描谱SIMS-(Secondary Ion Mass Spectroscopy)二次离子质谱HSS- (Helium Scattering Spectroscopy)氦溅射扫描谱TPD- (Temperature-Programmed Desorption)温度程序吸收谱TPR- (Temperature-programmed Reduction)温度程序还原谱STM-(Scanning Tunneling Microscopy)扫描隧道显微镜AFM-(Atomic Force Microscopy)原子力显微镜11 二次电子的定义及特点(1)入射电子和原子的价电子发生非弹性碰撞，使价电子获得入射电子损失的能量，而脱离原子核的束缚逃逸到真空中，这就是二次电子产生的过程。（2）二次电子能量都较低，一般只有2050 eV，且方向是四面八方，所以只有在固体表面层几十 深度以内的电子才可能逸出表面，发射受表面的物理化学性质影响。可观察固体表面形貌、缺陷、电畴、磁畴。12 俄歇电子的定义及特点（1）当35keV的入射电子轰击元素的原子时，原子内层电子被激发到外层，并在此能级上留一个空位。使原子由原来能了较低的稳态而变成具有较高能量的非稳定态激发态。能量较高能级上的电子可能通过非辐射复合而落到这个空位，使能量降低。在退激过程中，多余的能量可把另一能级上的电子激发到真空能级之外。这种激发出来的电子称为俄歇电子。（2）俄歇电子的能量一般在几百 eV或更低。具有这样能量的电子在固体内经受非弹性碰撞的平均自由程一般只有520 。这就意味着，只有表面 15个原子层内的元素所激发的俄歇电子才有可能逃逸出体外。通过分析俄歇电子的能谱，就可鉴定表面的元素成份。13 俄歇电子能谱的特点；对试样要求；采样深度特点：表面性；具有很高的表面灵敏度，其检测极限约为10-3原子单层；可以同时分析除氢、氦以外的所有元素；半定量分析表面成份；化学价态分析；微区分析；界面分析制样：俄歇电子能谱仪对分析样品有特定的要求，在通常情况下只能分析固体导电样品。经过特殊处理，绝缘体固体也可以进行分析。粉体样品原则上不能进行俄歇电子能谱分析，但经特殊制样处理也可以进行一定的分析。由于涉及到样品在真空中的传递和放置，待分析的样品一般都需要经过一定的预处理；主要包括样品大小，挥发性样品的处理，表面污染样品及带有微弱磁性样品等的处理。采样深度：俄歇电子能谱的采样深度与出射的俄歇电子的能量及材料的性质有关。一般定义俄歇电子能谱的采样深度为俄歇电子平均自由程的3倍。根据俄歇电子的平均自由程的数据可以估计出各种材料的采样深度。一般对于金属为0.5 2 nm，对于无机物为1 3 nm，对于有机物为1 3 nm。从总体上来看，俄歇电子能谱的采样深度比XPS的要浅，更具有表面灵敏性。14 图示俄歇电子的跃迁过程，图PPT外来的激发源与原子发生相互作用，把内层轨道（X轨道）上的一个电子激发出去，形成一个空穴。次外层（Y轨道）的一个电子填充到内层空穴上，产生一个能量释放， 促使外层（W轨道）的电子激发发射出来而变成自由的俄歇电子。15 俄歇电子能谱分析（PPT）16 X射线光电子谱（XPS）特点可以分析除H和He以外的所有元素。相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰较少，元素定性的标识性强。能够观测化学位移，化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。化学位移信息是利用XPS进行原子结构分析和化学键研究的基础。可作定量分析，即可测定元素的相对浓度，又可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。是一种高灵敏超微量表面分析技术，样品分析的深度约为20，信号来自表面几个原子层，样品量可少至10-8g，绝对灵敏度高达10-18g。 17 界面分类依据形成途径分类：（1）机械作用界面：受机械作用而形成的界面称为机械作用界面。常见的机械作用包括切削、研磨、抛光、喷砂、变形、磨损等。（2）化学作用界面：由于表面反应、粘结、氧化、腐蚀等化学作用而形成的界面称为化学作用表面。（3）固体结合界面：由两个固体相直接接触，通过真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的界面称为固体结合界面。（4）液相或气相沉积界面：物质以原子尺寸形态从液相或气相析出而在固态表面形成的膜层或块体称为液相或气相沉积界面。（5）凝固共生界面：两个固相同时从液相中凝固析出，并且共同生长所形成的界面称为凝固共生界面。（6）粉末冶金界面：通过热压、热锻、热等静压、烧结、热喷涂等粉末工艺，将粉末材料转变为块体所形成的界面称为粉末冶金界面。（7）粘结界面：由无机或有机粘结剂使两个固相结合而形成的界面称为粘结界面。（8）熔焊界面：在固体表面造成熔体相，然后两者在凝固过程中形成冶金结合的界面称为熔焊界面。依据结晶学分类：（1）平移界面：在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量。其间的界面称为平移界面。（2）孪晶界面：孪晶界面又称取向界面。（3）混合界面：孪晶界面与平移界面混合后的界面（4）反演界面：当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面 IB。反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着。（图PPT）18 晶界对性能的影响19 表面粗糙度与润湿的关系及浮游选矿（PPT）20 良好粘附需满足的化学条件1）被粘附体的临界表面张力C要大或使润湿张力F增加，以保证良好润湿。2）粘附功要大，以保证牢固粘附。3）粘附面的界面张力SL要小，以保证粘附界面的热力学稳定。4）粘附剂与被粘附体间相溶性要好，以保证粘附界面的良好键合和保持强度。为此润湿热要低。上述条件是在P=0，（SV-SL）=LV的平衡状态时求得的。 21 界面相的作用界面相是复合材料的一个组成部分，其作用可以归纳一下几个方面：传递作用：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强体之间的桥梁作用阻断作用：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用保护作用：界面相可以保护增强体免受环境的侵蚀，防止基体与增强体之间的化学反应，起到保护增强体的作用。22 接合的常用制作方法（1）机械嵌合：ZrO2与钢的组合是最常用的构件之一，这种接合方式是典型的机械嵌合方式。将钢管加热升温后再与ZrO2管插接。钢管的热膨胀系数远大于ZrO2管，冷却后套在外侧的钢管收缩，对内侧的ZrO2管施加预应力（压力）。（2）固相扩散接合：在高温下对接合体加压，使两者之间发生元素间的扩散并紧密地接合在一起。固相扩散接合的主要目的是通过加压的方式，将金属表面上生成的氧化物破碎，使新的金属层暴露出来，更好地促进扩散或反应的进行。此外，它还有助于金属的塑性变形、释放热应力的作用。3）压接：与固相扩散接合方式相比，压接时可以采用的压力范围很大。例如，从热压机可实现的设备压力到热等静压方式的压力都属于压接的适用压力范围。（4）摩擦焊：接合体在加压状态下进行高速的相对旋转产生摩擦热，使界面部分熔化，从而实现接合的工艺方法叫做摩擦焊。（5）反应接合方式：包括利用气体-金属共晶反应实现接合的气体-金属共晶反应接合法；利用固体间剧烈反应实现接合的固体相互反应工艺；利用活性度较为理想的高熔点金属，使之促进与陶瓷之间的界面反应的活度金属法；使用贵金属作中间层施加微小压力，使陶瓷-贵金属-陶瓷或陶瓷-贵金属-玻璃的接合界面进行反应等。（6）电压接合法：它的工艺过程为：在两块金属薄板（如铝箔等）之间插入玻璃（如CaO-Na2O） 等，在金属一侧加300V电压并置于电炉内或电热板上。在200、30s条件下，阳极的金属就会与玻璃接合在一起，但阴极金属却不能与玻璃板接合。（7）微波加热接合（陶瓷-陶瓷接合体）：在Al2O3材料之间加入玻璃-陶瓷形式的复层，将玻璃夹在中间，使用2.45GHz、700W 微波成功地进行了接合。（8）熔化焊接：陶瓷与陶瓷接合时，若两相材料组成相同，可以用成分相同的熔融体作辅助接合相材料，对两相成分各不相同的陶瓷，辅助接合相材料的成分必须同时满足两相材料共存的要求。（9）超高真空压焊：Ruge制成能保持10-7Pa真空度的装置。为彻底排除表面污染的影响，将材料的清洁断口直接放入保护气氛中进行接合试验。（10）超声波接合：在1.510-7Pa真空度、1050Pa压力的条件下，用1.2kW超声波发生器对试件进行30m振幅的超声波振动，Al与AlN、Si3N4在大气环境中就存在接合可能性；在同样的情况下使用Ti金属时，为了防止表面的氧化，必须在真空度很高的条件下接合。（11）离子注入法的应用：将离子束注入界面或基板中，离子束具有的能量可以穿过厚度为1001000（10.1nm）的薄膜。利用离子照射的作用，在混合区域内形成强固的接合。（12）金属化：适用于高温的情况，最初是通过在Mo涂料中加入Mo及MnO2而实现，之后就不再添加锰。随着电子仪器行业的发展，用Al2O3代替硬脂酸盐，结果出现了很多新问题。（13）共晶接合法：在金属与流动的气体中形成共晶。23 复合材料界面示意图（PPT）及界面效应(1)传递效应： 界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。(2)阻断效应： 结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。(3)不连续效应： 在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。(4)散射和吸收效应： 光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。(5)诱导效应： 一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等 24 影响复合材料界面结合强度的因素，界面结合强度的大小对材料整体性能的影响许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、表面层的力学特性、润湿速度等。界面结合较差，增强体不能发挥作用；界面结合过强，材料破坏过程的裂纹容易扩展到界面，直接冲击增强体则呈脆性断裂。最佳状态的界面，裂纹沿界面扩展形成曲折的路径耗散较多的能量，即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。研究和设计界面时，不应只追求界面结合强度而应考虑到复合材料综合力学性能。 25 复合材料界面分析表征手段现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了强有力的手段。扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、动态力学分析、原子力显微镜等，在复合材料界面分析表征中得到充分的应用，为揭示界面的本质、丰富界面的理论作出了重要的贡献。 26 优化界面结合的方法措施（PPT）界面涉及原材料的选择、工艺方法和参数的设定、使用环境和条件的作用等诸多问题，以及这些条件的彼此相互交叉影响。可以考虑采取系统工程的方法加以解决。