第二章 表面基础理论.ppt

表面改性技术 主讲人 第二章表面基础理论 2 1表面晶体学 1 固体表面 界面一般指两相交界处 严格来讲固 固 液 液 固 液 气 液 固 液交界处皆为界面 固体表面通常指固 气界面或固 液界面 一般由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层组成 表面原子排列与内部不同 表面组成与内部不同 2 理想表面 理想表面是一种理论上的结构完整的二维点阵平面 忽略周期性势场的中断 忽略缺陷 扩散 热运动 忽略外界环境影响 无缺陷的晶体被分成两个半无限大的晶体 分割前后的原子排列 电子密度不变 表面原子能量大于内部 既为表面能 自行调整 结构改变 原子排列和内部不同 成分调整 表面成分偏析 对外来原子的吸附 3 清洁表面 清洁表面指没有被其它任何物质污染 也没有吸附任何不是表面组分的其它原子或分子的表面 是我们在预处理后中想要得到的表面 晶体表面是原子排列面 有一侧无固体原子键合 形成了附加的表面能 从热力学来看 表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态 清洁表面成分和结构与内部不同 要4 6个原子过渡 表面驰豫 表面的原子周期性突然破坏 表面上的原子会发生相对于正常位置的上 下位移以降低体系能量 表面上原子的这种位移称为表面驰豫 表面重构 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 表面偏析 表面原子从内部分凝出来 Segregation化学吸附 外来原子吸附于表面并形成化学键 Adsorption 台阶 表面原子形成台阶结构 Terrace 化合物 外来原子进入表面 并与表面原子形成化合物 Compound 4 实际表面 理想的表面是不存在的 清洁的表面是难以制备的 实际的表面存在缺陷 杂质等现象 表面粗糙度与波度是实际表面的基本特征 表面粗糙度 吸附和玷污 机械加工表面 表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差 也称微观粗糙度 粗糙表面对表面特性的影响 粗糙表面的原子比正常的原子具有更高的表面能 粗糙表面影响实际表面的接触面积和接触性质 实际比表面积大于表观比表面积 粗糙的表面具有与内部不同的成分和组织 机械加工表面 在磨削 研磨 抛光等机械作用下 金属表面能形成特殊结构的表面层 贝尔比层塑性变形层 贝尔比层 固体材料经切削加工后 在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化 使得在表面约10nm的深度内 形成晶格畸变薄层 加工点温度高于表面平均温度 磨后迅速冷却 原子无法回到原来位置 极为细小的微晶层或非晶态层 贝尔比层具有较高的耐磨性和耐腐蚀性 对机械工程来说是好的 但例如硅集成电路制作时 确是位错 层错的根源 塑性变形层 深度增加塑性变形量减小 1 10微米 表面双晶 相变 再结晶 2 2金属表面现象 3 金属表面反应 2 润湿及黏着 1 吸附现象 表面吸附指固体表面吸引气体的一种结合 又有物理吸附和化学吸附 物理吸附靠范德华力作用 物理吸附对温度比较敏感 低温下的单层有序结构 吸附分子结构无变化 化学吸附则形成化学键结合 存在电子转移 结合强度比物理吸附大许多 润湿液体与固体表面接触时的表面现象 可以用液滴在表面上的散开程度表征润湿程度 润湿与不润湿 体系自由能降低 缩小界面张力 黏着固体与固体接触时的表面现象 产生两个新的表面消耗的能量称为黏附功 表征固体与固体吸引强度 接触状况 紧密接触 润湿性 润湿好 黏着强 固溶性 不同金属间的固溶 表面活化 提高黏着强度 金属表面反应 气固反应 沉积 大气腐蚀 渗碳 脱碳 液固反应 金属的溶解 液体热处理 电化学 固固反应 石墨与钢的反应 离子 固反应 离子氮化 离子注入 2 3表面缺陷与扩散 2 表