第二章-表面工程技术的基础理论

第二章表面工程技术的基础理论,第一节表面晶体学第二节金属的表面现象第三节表面扩散与表面缺陷,第二章表面工程技术的基础理论,第一节表面晶体学,结晶固体的表面：晶体中原子的周期性排列发生大面积突然中止的地方。从晶体内部的三维周期性结构开始破坏到真空之间的整个过渡区域。表面区域大致包括以表面原子终结平面为基准，分别向体内和真空方向延伸1.01.5nm的范围。因材料不同，所需研究的表面范围有所差异。金属表面通常只涉及最外几个原子层厚度。,2.1表面晶体学,固体表面的实际构成图,固体表面分类：理想表面、清洁表面和覆盖表面,2.1表面晶体学,一.理想表面,将位于其一侧的所有原子全部移走后产生的，表面原子偏离了能量最低的平衡位置，所以表面原子的能量大于晶体内部原子的能量。超出的能量即正比于减少的键数，这部分能量就是表面能。显然，理想表面是难以获得的，是研究其他类型表面的一个基础。,2.1表面晶体学,二.清洁表面,不存在任何污染的化学纯表面，既不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。,成分与结构不同于内部；最外层不是一个原子数的平整表面，原子排列做了调整；存在各种类型的表面缺陷。,2.1表面晶体学,在几个原子层范围内的清洁表面：表面弛豫、表面重构。,2.1表面晶体学,清洁表面的获得,在表面技术的预处理中，常常要获得清洁表面。但从清洁表面的定义上讲，用任何高效能洗涤剂清洗过的晶体材料的表面，也不是清洁表面，因为材料表面上必然会吸附有洗涤剂分子或空气中的某些成分的原子。所以要获得清洁表面，必须采取一些特殊的处理措施。,2.1表面晶体学,清洁表面的获得,1在真空中解理晶体金属(合金)沿某些严格的结晶学平面发生分离的断裂(穿晶)称为解理。在真空条件下，使金属产生解理，可获得清洁表面。受可解理的材料和平面的限制，仅能解理几种金属的单晶，如铍、锌、铋和锑等。2把表面在真空中进行热处理，使温度高到足以蒸发掉表面的污染物已成功地用来清洁一些难熔的金属表面(如钨和铌等金属表面)，但这种方法不能除去像碳等难于蒸发的原子。,2.1表面晶体学,3离子多次轰击法把样品表面在真空中循环地用惰性气体离子轰击和退火的方法。单次轰击后晶体内的杂质还可分离到表面上来，这种方法必须进行多次的反复轰击和退火。对于大多数表面都是有效的，还可以清除用第二种方法清除不了的难蒸发的原子。注意不要把表面打得粗糙或变成新的晶相表面。因此，近来也有将离子轰击改为用低能电子轰击。,2.1表面晶体学,三.覆盖表面,2.1表面晶体学,2.1表面晶体学,表面粗糙度粗糙度是指加工表面上所具有的微小凸凹和微小谷峰所组成，并且大体呈周期性起伏的微观几何形状的尺寸特征，主要由加工过程中刀具与工件表面间的摩擦、切屑分离工件表面层材料的塑性变形、工艺系统的高频振动以及刀尖轮廓痕迹等原因形成。,四.金属实际表面的特征,2.1表面晶体学,金属表面形貌对其表面特性的影响处于粗糙区域的原子比具有正常原子有更高的能量，具有更高的表面自由能和表面流动性。影响金属表面间的实际接触面积和接触性质。金属表面的接触，实际上是微凸体间的接触，此接触可为弹性接触，也可为塑性接触。金属实际表面积大于表观表面积，增加了与介质的实际接触面积，降低了抗蚀性能。粗糙金属表面常具有与内部不同的成分及组织，由机械加工时的高应力、高温度和金属间摩擦造成。,2.1表面晶体学,2.1表面晶体学,(1)贝尔比层在最外约510nm厚度会形成一层微晶层（非晶态），称为贝尔比(Beilby)层，其成分为金属和它的氧化物，具有较高的耐磨性和耐蚀性，会严重影响器件的性能。,(2)塑变层(3)其他变质层机加工中高应力、高温度的作用下：形成双晶，对非立方结构的金属(如Zn等)可产生双晶。相变，具有亚稳定的合金再结晶，低熔点金属(Sn、Pb、Zn等)能形成再结晶层。此外还可产生时效及表面裂纹等,2.1表面晶体学,其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。贝尔比层具有较高的耐磨性和耐蚀性，这在机械制造时可以利用。但是在其他许多场合，贝尔比层是有害的，例如在硅片上进行外延、氧化和扩散之前要用腐蚀法除掉贝尔比层，因为它会感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件的性能。金属在切割、研磨和抛光后，除了表面产生贝尔比层之外，还存在着各种残余应力，同样对材料的许多性能发生影响。实际上残余应力是材料经各种加工、处理后普遍存在的。,第二节金属的表面现象,吸附现象物理吸附：外延生长、催化反应；范德华力化学吸附：离子吸附、化学键吸附：库仑力；二者都是表面吸附，既有区别，又有联系。润湿与黏着金属表面反应,2.2金属的表面现象,吸附现象,物理吸附：外延生长、催化反应；范德华力化学吸附：离子吸附、化学键吸附：库仑力；二者都是表面吸附，既有区别，又有联系。,2.2金属的表面现象,物理吸附和化学吸附的区别：,(1)热效应不同物理吸附热小于化学吸附热。化学吸附热与化学反应热同数量级，物理吸附热与液化相似；前者脱附温度在气体的沸点附近，而后者脱附温度要比气体脱附温度高。(2)吸附和脱附的速率不同前者类似凝聚现象，不需活化能，吸附速度快。后者类似化学反应，需要活化能，吸附速度慢。前者易脱附，可逆；后者很难脱附，不可逆。此外也有少量的不需活化能的化学吸附，其吸附、脱附速度也很快。(3)化学吸附具有选择性化学吸附具有高度选择性。如，氢会被钨和镍化学吸附，而不能为铝化学吸附。物理吸附无选择性。,2.2金属的表面现象,2.2金属的表面现象,物理吸附和化学吸附的区别：,(4)吸附层的厚度不同化学吸附是单层吸附。一旦整个表面被单分子覆盖，化学吸附就达到饱和，终止。当进一步输入气体分子时，则或者发生物理吸附，或者形成某种化合物。而后者在低压下是单层的，在较高的相对压强下都会变成多层。(5)吸附态的光谱不同物理吸附只能使原吸附分子的特征吸收峰发生某些位移，或使强度改变。而化学吸附会在光谱区产生新的吸收峰。,2.2金属的表面现象,物理吸附和化学吸附的联系,某些情况下，物理吸附物和吸附剂之间相互作用拉长某些化学键，使分子化学性质改变，这样很难断言为何种吸附；有些化学吸附可以直接在吸附物与吸附剂之间进行，而相当多的化学吸附必须先经过物理吸附，然后再进行化学吸附；两者可在一定条件下转化，如在铜上，氢分子的物理吸附，经活化而进一步与铜催化表面接近，就可以转化为解理面氢化学吸附。,物理吸附与化学吸附的比较,2.2金属的表面现象,2.2金属的表面现象,润湿,若较小或接近于零，我们称这样的物质具有亲水性；反之，较大，则称这样的物质具有疏水性。自然界中不存在绝对不润湿的物质，所以180