材料表面与界面第一章固体表面ppt课件.ppt

材料表面与界面SurfaceandInterfaceofMaterials 1 References 1 孙大明等编著 固体的表面与界面 安徽教育出版社 19962 朱履冰等编著 表面与界面物理 天津大学出版社 19923 胡福增编 材料表面与界面 华东理工大学出版社 20084 许并社编 材料界面的物理与化学 化学工业出版社 20065 曹立礼著 材料表面科学 第2版 清华大学出版社 20096 闻立时著 固体材料界面研究的物理基础 科学出版社 2011 2 Courserequirements Teachingmethod Lecture DiscussionTimeassignment 60 40 Examination Test60 oralpresentation40 3 Outline IntroductionChapter1SurfaceofsolidChapter2CrystallographyofsurfaceChapter3InterfaceofsolidChapter4InterfaceofcompositematerialsandoptimizationoftheirinterfaceChapter5ThermodynamicsandkineticsofsurfaceandinterfaceChapter6Analysisandcharacterizationofsurface 4 Introduction 1 Surfaceandinterfaceplayanimportantroleinmaterialscience Decisiveinfluenceontheover allpropertiesofmaterials Phenomenaorprocessingthatconnectstosurfaceandinterface corrosion ageing hardening damage printing filmpainting bonding synthesisetc 5 6 a Componentsofaviationandaerospaceb Coatingsforcivilusec Specialsurfaceandinterfacefunctionalmaterials biologicalsurfaceandinterfacewithspecialfunctionsandmicro structure super hydrophobicandsuper hydrophilicmaterials Applications 6 7 F22 F117隐形飞机 复合材料 取代金属材料 吸波涂层 隐形涂料 这种涂料含有大量的铁氧体粉末材料 依靠其自身自由电子的重排来消耗雷达波的能量 铁氧体隐形涂料的缺点也是比较明显的 吸波频带较窄 单一涂料只对特定频段的雷达波起作用 对环境要求高 需要为隐形飞机配备昂贵的空调机库 加重了后勤负担 重量大 会对飞机的机动性能产生影响 因此 很多国家都把目光瞄准了新一代的隐形涂料 7 8 水泥基表面的树脂涂层 8 9 彩色钢板涂层示意图 9 10 柱塞 阀座用耐磨陶瓷涂层 10 11 哈利 波特 中隐身术在现实世界中也可以实现 11 12 ScientistsattheUniversityofCalifornia Berkeley haveforthefirsttimeengineered3 Dmaterialsthatcanreversethenaturaldirectionofvisibleandnear infraredlight adevelopmentthatcouldhelpformthebasisforhigherresolutionopticalimaging nanocircuitsforhigh poweredcomputers and tothedelightofscience fictionandfantasybuffs cloakingdevicesthatcouldrenderobjectsinvisibletothehumaneye Aschematicandtwoscanningelectronmicroscopeimageswithtopandsideviewsofametamaterialthatiscomposedofparallelnanowiresembeddedinsideporousaluminumoxide 12 浙江大学研制的六边形柱状 隐身衣 13 14 14 15 荷叶的表面结构 由微米级的乳突组成 乳突结构又由纳米级的精细结构构成 见右图 该表面为超疏水特性 15 16 SurfacestructureofShark Simulatedshark ssurfacewasappliedonairplane 参见 微 纳米生物摩擦学 李健等译 16 17 金龟子及其表面微结构 螺旋纤维管道铺层对提高功能元件的强度与断裂韧性有明显益处 金龟子外壳是一种自然结构与功能材料 17 18 科学家发现蝴蝶翅膀是天然发光二极管 非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物的光学显微图象 蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物内包含着一些被称为 光子晶体 PhotonicCrystals 的微小结构 而这和发光二极管中的微孔的作用机制非常类似 18 Thesurfaceandinterfaceisdefinedasatransitionzonefromaphasetoanotherphase Introduction 2 Definitionandclassificationofsurfaceandinterface Basedonthestateofaggregationofsubstance a solid gas b liquid gas c solid liquid d liquid liquid e solid solid surface interface 19 a Gas LiquidInterface 20 b Gas SolidInterface 21 c Liquid LiquidInterface 22 d Liquid SolidInterface 23 e Solid SolidInterface 24 第1章固体表面 Chapter1Surfaceofsolid 25 Solidsurface Physicalsurface IdealsurfaceCleansurfaceAdsorptionsurface General actualsurface Machinedsurface Classificationofsolidsurface 26 1 1Idealsurface d interior Surface Idealsurface Two dimentionallatticeplanewithatheoreticallycompletestructure 1 Ignoringtheinfluenceoftheinterruptionofperiodicpotentialinsideatthesurfaceofthecrystal 2 Ignoringthethermalmotion thermaldiffusionandthermaldefectsetc oftheatomsatthesurface 3 Ignoringtheexternalphysicalandchemicaleffectsonthesurface Theatomicsitesandstructureinsideareinfinitelyperiodic andthoseonthesurfacearesemi infinitelyperiodicandexactlythesamewiththoseinside 27 Structureofidealsurface 28 1 2Cleansurface Cleansurfaceisreferredtoasurfaceonwhichphysicalandchemicaleffectssuchasadsorption catalyzingreaction impuritydiffusion etc donotexist Thechemicalcompositionofthecleansurfaceisthesameasthatinside whilethestructurecouldbedifferentfrominside Toobtainthecleansurface specialmethodsareneededandthesuper highvacuumof1 33 10 10Pamustbemaintainedatthesametime 29 Methodsforobtainingthecleansurface 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 30 需要高真空度的理由 根据气体分子运动论 当气压为P 托 1托 133Pa 1mmHg 温度为T K 情况下 每秒钟同单位面积表面相碰撞的气体分子个数为N N 289 1022P MT 1 2 cm2 s 1 其中M是气体分子量 当真空度达到10 6托左右 以氮气为例 在室温下 每秒大约有3 1014个气体分子同1cm2的表面相碰撞 考虑固体表面一个单原子层上的原子数 每平方厘米大约有1015个原子 原子间距以0 3nm计 如果和表面相碰撞的氮气分子全部被吸附于表面 则每隔3秒钟就将形成一个单原子层覆盖于表面之上 所谓超高真空 UHV 都是在10 9 托 以下 若在室温 真空度为10 10 托 的系统中 每秒只有3 8 1010个气体分子和1cm2表面相碰撞 此时在表面形成一个覆盖气体分子层则需要大约8h的时间 在这个状况条件下气体分子的平均自由程大约是50 000km 31 完整的真空系统 32 1 ledgesurface Thesurfaceiscomposedofregularorirregularledges 33 Pt 557 有序原子台阶表面示意图 34 2 relaxedsurface 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 35 Relaxation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 这种情况称为弛豫 离子晶体的表面容易发生弛豫 主要作用力是库伦静电力 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 36 3 reconstructedsurface 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 37 Surfacereconstruction 38 1 3Adsorptionsurface 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 吸附表面可分为四种吸附位置 顶吸附 桥吸附 填充吸附 中心吸附 顶吸附 桥吸附 填充吸附 中心吸附 俯视图 剖面图 39 1 4Surfacesegregation Surfacesegregationistheenrichmentoftheconcentrationofonecomponentatthesurfaceofthematerials Surface 40 Surfacesegregationwillchangethecompositionofthesurfaceandiscommoninalloysormulti layerfilms Itaffectsanumberofpropertiessuchasoxidation corrosion catalysis chemisorption wearofalloysandelectricalandmechanicalpropertiesofthinfilms Surfacesegregationwillchangetheelectricalandmechanicalpropertiesofceramics thepropertiesofcatalysiscarriersandthesensitivityofthechemicalsensors 41 1 5Machinedsurface 1