第三章--表面与界面

第三章表面与界面,目的：了解表面与界面的基本概念，深层次理解表面自由能与结构间的关系；表面自由能对其它各项物理与化学性能的影响。,第三章表面与界面,3.1基本概念3.2固体表面自由能的计算3.3表面曲率效应3.4表面能与界面的杂质偏析（Gibbs吸附等温线）3.5固体的表面吸附3.6表面自由能的测量3.7界面间自由能间关系,3.1基本概念,表面：包括相界面与晶界晶界:凡结构相同而取向不同的晶体相互接触，其接触界面称为晶界。界面：相邻晶粒不仅取向不同，而且结构、组成也不相同，即它们代表不同的两个相，则其间界称为相界面或者界面。表面张力：使体相停止生长或者表面收缩的力。=F/2L;=(G/A)T,P表面自由能:使体相停止生长的能量或者断开的能量。G=-SdT+Vdp+dA,晶界和界面都是缺陷集中之地，面缺陷：原子排列不规则，结构比较疏松，不同与体相的性质等。吸附杂质原子结构疏松，易腐蚀原子or离子的快速通道应力集中之地熔点较低相变优先成核催化的活性中心、酸碱中心,3.2固体表面自由能的近似计算,1.单质晶体的规整面的表面自由能表面同体相最大区别：表面有断键或者悬键。表面的张力可以由表面的悬键来计算：（1）键能：=Hs/(0.5ZNA)Hs升华能；Z配位数；NA阿福加德罗常数（2）悬键数：以面心立方（111）面为例配位数：12（面内配位6，上下面各为3）每个表面原子悬键数为n=3.,1.单质晶体的规整面的表面自由能,（3）单位面积内原子数：三角形面积内原子数为2面积为431/2r2单位面积原子数为3-1/2/2r2（4）表面自由能为：,（100）面表面自由能,不同的规整面表面自由能不同；实际晶体表面能小于计算的结果，这是由于原子的重构；固体界面：共格、半共格、非共格之分。,理想表面结构图,弛豫表面示意图垂直方向上周期不同,重构表面示意图水平方向上周期性不同,离子晶体表面双电层,离子晶体表面的电子云变形和离子重排,氯化钠表面的双电层,NaCl晶体(100)面表面双电层,晶体周期性被破坏，引起表面附近的电子波函数发生变化，进而影响表面原子的排列，新的原子排列又影响电子波函数，此相互作用最后建立起一个与晶体内部不同的自洽势，形成表面势垒。当一部分动能较大的电子在隧道效应下穿透势垒，表面将形成双电层。,金属表面双电层,金属材料表面的双电层,晶界,1）按两个晶粒的夹角大小分：小角晶界：晶界两侧的晶粒位向差很小。可看成是一系列刃位错排列成墙，晶界中位错排列愈密，则位向差愈大。大角晶界：晶界两侧的晶粒位向差较大，不能用位错模型。关于大角度晶界的结构说法不一，晶界可视为23(5)个原子的过渡层，这部分的原子排列尽管有其规律，但排列复杂，暂以相对无序来理解。,界面,2）根据界面两边原子排列的连贯性可分为三类：共格界面半共格界面非共格界面,界面,共格晶界:两个晶粒的原子在界面上连续地相接，具有一定的连贯性。,无应变的共格晶界(a)晶体结构相同(b)晶体结构不同,有轻微错配的共格界面,界面,半共格晶界:由于晶面处位错的存在，使两个晶粒的原子在界面上部分相接，部分无法相接，因此称为半共格晶界。,半共格界面示意,共格界面模型,点阵失配度的概念：a和a是和相无应力态的点阵常数。当较小（0.05），形成共格界面。共格界面的附加能量与2成正比，有如图的关系（a）。对较大的(0.050.25)，共格畸变的增大使系统总能量增加，以半共格代替共格能量会更低（b）。,半共格界面模型,以刃位错周期地调整补偿。对上部晶体，单位长度需要附加的半晶面数等于对小的，可近似写成：式中b=（a+a）/2。该模型认为界面上除位错心附近外，其他位置几乎完全匹配，在位错心附近的结构是严重扭曲且点阵面是不连续的。,半共格界面示意,，即位错间距：,半共格界面能,近似由两部分组成：半共格=化学+结构结构项结构是失配位错引起的额外能量。布鲁克(Brooks)理论：晶格畸变能W可表示为:为失配度，b为柏氏矢量，G为剪切模量，为泊松比，r0是与位错线有关的一个长度。此式计算的晶界能与有如图中虚线的关系。,非共格晶界:结构上相差很大的固相间界面不能成为连贯界面，因而与相邻晶体间必有畸变的原子排列。这样的晶界称为非共格晶界。,非共格晶界示意图,非共格界面-点阵失配度较大，如=0.25，则每隔4个面间距就有一个位错，导致位错失配的区域重叠，这样的间界属于非共格类晶界。-非共格界面的结构描述更复杂，但和大角晶界结构有许多共同的特征，如能量都很高(大约在500-1000mJm2)，界面能对界面取向不敏感等。,非共格界面,2.非规整面的表面自由能,假如同密堆面的夹角为，单位面积（取11范围内）悬键的数目为：垂直方向水平方向宽度方向单位面积表面能为：,从图与方程式可以看出：表面自由能在规整面处最小，偏离一点位置表面自由能都会升高，因此晶体生长表面都为规整面。,3.两维晶体的平衡形状,以立方晶系为例：按图二维生长，取（110）和（100）面以1/4面积计算：用长度代表每个面的大小,b,在同样面积情况下，取能量最低,考察两个面生长情况：如果110=21/2100,c0,即（110）面消失。110=100,2b=c,表明两个表面生长一样快。不同的晶体二者比值不同，两个面生长的速度不同,晶体形状与表面能(-图)-图的绘制:从一原点出发引矢径，其长度正比于该晶面的表面能大小，方向平行于该晶面法线，连接诸矢径端点而围成的曲面。,面心立方晶体的-图及其平衡形状（a）（110）截面（b）三维平衡形状,-图的应用与乌耳夫法则,分析单晶体的理想平衡形状：对孤立的单晶体，各面表面能分别为1，2，相应面积分别为Al，A2，它的总表面能为Al1+A22+。平衡状态下，自由能极小的条件为：对各向同性的情况，平衡形态为球形，如液体。对各向异性的晶体，按乌耳夫作图得出平衡形状。在-图上的各端点作垂直于矢径的平面，所围最小体积的多面体即是晶体的平衡形状。乌耳夫法则：诸i和原点至晶面的距离hi之比为常数：,=极小值,2.3表面曲率效应,1.双相界面相界面如右上图定义界面Y：使两边阴影部分的面积一样大2.曲率半径对界面移动的影响相界面由（如下图）自由能变化为：dG=dm1+dm2+dA=Wrew平衡时：Wrew=0，dm1=-dm2=dm-=dA/dm-相变的驱动力主要为表面积变化,表面曲率效应,平面移动时：dA=0=曲面时：=r，=r-=dA/dm=vdA/dV这里：V=R3/3，dV=R2dR为固体角，整个球面为4A=R2,dA=2RdRr-=v2/R讨论：（1）驱动力为2/R，即曲率越大，表面能越高。（2）固体颗粒中存在压应力，也是驱动力。d=-SdT+VdP=VdP(当温度不变时）P=2/R-粒子越小，粒子内压应力就越大。,附加压力与表面张力的关系,如图，当管内压力增加，气泡体积增加dV，相应表面积增加dA。忽略重力，则体积增加的唯一阻力是扩大表面所需的表面能。为克服表面张力，环境所做的功为(P-P0)dV，平衡这个功应等于系统表面能的增加：,附加压力的气泡模型,因为,得到：,表面曲率效应,（3）固体表面蒸汽压：粒子越小，表面蒸汽压越大（4）溶质的溶解度：溶质的溶解度随着粒子的半径增加，而减小。（5）固体粒子的熔点：小的粒子，熔点下降。,固体表面蒸汽压,CV根据（1）有：表面曲率效应：（2）-（3）而气体时上式代人（4）得,溶质的溶解度,固体粒子的熔点,固体粒子的熔点,3.4表面能与界面的杂质偏析（Gibbs吸附等温线）,在表面物理中，经常研究的是固体表面和外来原子或分子的相互作用，例如化学吸附，外延生长，氧化和多相催化等。外来原子可以是气相的，也可以是固体内部偏析(又称分凝)出来的。吸附及偏析等相互作用的主要原因：使表面能降低。,晶界偏析晶界偏析：在平衡条件下，溶质原子（离子）在晶界处浓度偏离平均浓度。偏析的自发趋势：，溶质原子（离子）处于晶内的能量比在晶界的能量高，通过在晶界缺陷处偏析使系统能量降低。偏析驱动力是内能差：设一个原子位于晶内和晶界的内能分别为El和Eg，则偏析的驱动力为：,Gibbs吸附等温线,以A为溶剂，B为溶质，在相与相的界面，溶质B比两相内都高，即溶质在界面偏析。选平面Y使A在平面两边阴影部分面积相等，即总量为：定义B在表面的超量为：（单位面积）吉杜公式：,Gibbs吸附等温线,表面的超量为：平衡状态时：讨论：（1）xB，即在界面处，B偏析越多，界面处能量越低。（2）xB，不可能偏析。（3）氧在Ag表面的吸附如右图,3.5固体吸附（Langmuir吸附等温线）,气体在固体表面的吸附可分为物理吸附和化学吸附两大类。对于化学吸附：Langmuir吸附等温线基于：P和（表面覆盖率）,N0吸附占用的位置Ns为表面总的位置数表面脱附的速率表面吸附的速率,平衡时：,K=ka/kd-平衡常数,kd,化学吸附,化学吸附有更大的吸附热，吸附原子与衬底表面的原子间形成化学键，它们可以是离子键、金属键或共价键。化学吸附的外来原子可以有以下两种结构：A、吸附原子形成周期的粘附层迭在衬底顶部，形成“迭层”；B、吸附原子与衬底相互作用形成合金型的结构。,以形成离子键为主的离子吸附,如图(a)中所示的离子吸附所形成的O2-,以共价键吸附外来粒子,此时，没有电子从固体能带中转移出来，只是吸附粒子与固体的一个或几个表面原子间的化学结合。这种吸附可以发生在有“悬键”的表面上，如图（b）中氧吸附在锗表面，与表面原子形成定域双键。,形成化合物,外来粒子在固体表面上相互作用，并形成另一种新相。例如金属表面的氧化：,气敏传感器,气敏传感器的器件如右上图下图为器件在还原性气体中电阻变化的情况，从而测量气体及其浓度，这样材料有SnO2、ZnO等电阻的变化，可以从缺陷化学角度进行解释,在还原性气体中，上述两个缺陷反应都向右进行，因而电导增加。,气敏装置及测量原理,测量装置如右图N型半导体金属氧化物气体传感器的电阻Rs与被测气体浓度的关系可用下式表示R0/Rs=KC+1当R0/Rs较大时,上式可简化为Rs=R0AC-其中R0为传感器在洁净空气中的电阻;A为常数;C为被测气体浓度(其范围一般为几ppm到几千ppm,1ppm等于百万分之一),气敏传感器,电导的变化可以用纳米粒子的界面势垒的变化来解释：a）在空气中，表面吸附氧，使表面势垒升高。b）在还原性气体中，还原性气体夺去氧，占在表面的位置，使表面势垒降低。具体变化情况如图及上面反应过程。c）势垒变化决定了电导的变化。,在空气中界面势垒在还原性气体中势垒,势垒变化对应的表面状态发生的变化,二氧化钛光催化降解,酸碱中心,在固体表面上，Lewis酸位是一个具有空轨道的位置，此空轨道对电子对有高度亲和力。因此在这样的位置上，当有共享吸附的碱分子给予电子对时，能量会显著降低。固体表面上的Lewis碱位有处于高能级可供利用的电子对。当它们与能吸附电子对的Lewis酸结合时，能量也会显著降低。固体表面上的酸有两种不同形式的酸位置，即Lewis(L)酸位和Bronsted(B)酸位。Lewis酸位具有很高的电子亲合力；Bronsted酸位具有给出质子的倾向。,在有水存在时，Lewis酸活性可以转变为Bronsted酸活性，即,式中，为Lewis酸位置，即表面上的阳离子，可与水分子的OH-共享电子对；为被吸附的原子，它很容易在化学反应中移走，成为Bronsted酸位。一个酸位置的酸强度就是将一个吸附的碱分子转化为它的共轭酸的能力。因此，Lewis酸或碱的强度与该位置的电子亲和力有关。还与固体表面结构（如位置的几何学和未被占据轨道的取向等）有关。,3.6固体表面能的测量,1.单晶丝的测量：装置如图取等径、等长的单晶丝悬挂不同的重量的球将固体线加热到熔点附近（0.9Tm）最佳重量选择：单晶丝长度变化最小的热力学分析：悬挂重量对丝做的功等于丝的表面能的增加：Wrev=mgdL=dA单晶丝表面积：A=2RL体积为：V=R2L,悬挂重量的选择,固体表面能的测量,在整个测量过程中丝的体积不变：dV=0dV=2RLdR+R2dL=0dR=-RdL/2LdA=2RdL+2LdRdA=RdL=mg/(R)2.多晶丝的测量：小晶体串起来的丝晶面数为n此时要考虑晶界的影响：Agb=nR2Wrev=mgdL=dA+gbdAgbR=mg+gbnR2/L,讨论：1)单晶丝测量单晶的表面自由能;2)多晶丝只能测量出平均的表面自由能;3)不同的蒸汽下可以测量出不同气氛下的表面自由能.,3.7表面自由能之间的关系,1.表面润湿平衡时：LS=SV-LVcos这里：SV和LV可以测量，因此LS=？90表面能润湿=0完全润湿=180完全不润湿90不润湿2.如果小球是固体，即液固相变时,平衡时为：CS=CL-SLcos,3.7表面自由能之间的关系,3.固体表面之间的表面自由能的关系：1、2、3相之间平衡时23/sin1=13/sin2=12/sin34.两相间平衡（其中一相为气相）11=212cos(/2)通过热蚀或者稀酸腐蚀出晶界，由沟角及固气表面能测量出固体之间表面能。也可以是固体与固体间平衡。,三相间平衡关系,取决于界面张力的比值。-，=180，与完全不浸润，近似球形；-=，=120，呈双球冠形；-=2，=0，与浸润，在晶界上铺展。,的大小与第二相形貌,晶棱与晶角上的第二相第二相位置如图所示（3个晶粒和1个晶粒间的晶角）。平衡时，3个界面张力相等，得3个X角也相等。角X、Y和二面角有如下立体几何关系：,晶棱晶角上的第二相,方程的图像及结构形貌：=180，X=120，Y=90，相是球形；=120,X=Y=109.