材料表面技术 第二章

1、第二章 外表科学的某些实际和概念2.1 固体资料的外表2.2 外表晶体学2.3 外表热力学2.4 外表动力学自学2.5 外表电子学自学.一、固体资料与气体的界面清洁外表实践外表二、固体资料与液体的界面略2.1 固体资料的外表.2.2 外表晶体学1. 理想外表2. 清洁外表1台阶外表2弛豫外表3重构外表4吸附外表5偏析外表3. 实践外表特征：偏离三维周期性构造特征：外表组分与资料内部不同.1. 理想外表 对于没有杂质的单晶，作为零级近似可将其清洁外表理想为一个理想外表。这是一种实际上的构造完好的二维点阵平面。 忽略了晶体内部周期性势场在晶体外表中断的影响，忽略了外表原子的热运动、热分散和热缺陷等

2、，忽略了外界对外表的物理化学作用等。 这种理想外表作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其构造的周期性，与原来无限的晶体完全一样。.图2.1.1 理想外表构造表示图 d. 2. 清洁外表 清洁外表是指不存在任何吸附、催化反响、杂质分散等物理化学效应的外表。这种清洁外表的化学组成与体内一样，但周期构造可以不同于体内。. 由于外表陈列忽然发生中断，外表原子受力(化学键)情况发生变化，总效应是增大体系的自在能。. 为了降低体系能量(减小外表能)，外表附近原子的陈列必需进展调整。 调整的方式有两种：(1)自行调整，外表处原子陈列与内部有明显不同；(2)靠外来要素，如吸附杂质、 生成新相等。 根据外表原子

3、的陈列，清洁外表又可分为台阶外表、弛豫外表、重构外表等。 .图2.1.2 单晶外表平台、台阶及扭折表示图 由低能电子衍射LEED等实验证明许多单晶体的外表有平台、台阶和扭折。.台阶台阶上的扭折.图2.1.3 Pt557有序原子台阶外表表示图1台阶外表 台阶外表不是一个平面，它是由有规那么的或不规那么的台阶的外表所组成。112111110(001)周期. 进展低能电子衍射LEED实验时，电子束从不同台阶反射时会产生位差。假设台阶密度较高，各个台阶的衍射线之间会发生相关效应。在台阶规那么分布时，外表的LEED斑点分裂成双重的；假设台阶不规那么分布，那么一些斑点弥散，另一些斑点明锐。.LEED Pa

4、ttern.台阶构造可用下式表示： R(S)m(hkl)n(hkl)-uvm 式中R表示台阶外表的组成元素；(S)为台阶构造；m表示平台宽度为m个原子列(晶列)；(hkl)为平台的晶面指数；n表示台阶的原子层高度；(hkl)为台阶侧面的晶面指数；uvm为平台与台阶相交的原子列方向。例如 Pt(S)6(111)(100)-011 表示Pt的台阶外表；平台有6个原子列宽；平台指数为(111)；台阶高度为1个原子层；台阶侧面指数为(100)；平台与台阶相交的晶列方向为011。.图2.1.4 弛豫外表表示图 2 弛豫外表 由于固相的三维周期性在固体外表处忽然中断，外表上原子产生的相对于正常位置的上、下

5、位移，称为外表弛豫。图2.1.5 LiF(001)弛豫外表表示图， Li F d0d0.1A0.35A.图2.1.6 重构外表表示图 3重构外表 重构是指外表原子层在程度方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距那么与体内一样。d0d0asa. (4) 吸附外表 吸附外表有时也称界面。它是在清洁外表上有来自外表周围空间吸附在外表上的质点所构成的外表。图2.1.7 吸附外表表示图 . 5偏析外表 不论外表进展多么严厉的清洁处置，总有一些杂质由体内偏析到外表上来，从而使固体外表组成与体内不同，称为外表偏析。 图2.1.8 偏析外表表示图 . 在资料实践运用过程中，资料外表是要经过一定加工处置(切

6、割、研磨、抛光等)，资料又在大气环境(也能够在低真空或高温)下运用。资料能够是单晶、多晶、非晶体。这类资料的外表称为实践外表。 实践外表中主要关怀的是nm-m级范围内原子陈列所构成的外表的构造特征，包括资料外表的微构造(组织)、化学成分、形貌、不同形状(外形)资料外表的特点。3. 实践外表. 实验观测阐明，固体实践外表是不规那么而粗糙的，存在着无数台阶、裂痕和凹凸不平的峰谷。这些不同的几何形状同样会对外表性质产生影响，其中最重要的是外表粗糙度和微裂纹。 . 衡量外表平整程度时，当波距小于1mm时，外表出现的不平整性称为外表粗糙度。外表粗糙度. 外表粗糙度是指加工外表上具有的较小间距的峰和谷所组

7、成的微观几何外形特性。 外表粗糙度与波纹度、宏观几何外形误差不同的是：相邻波峰和波谷的间距小于1mm，并且大体呈周期性起伏。 外表粗糙度产生缘由：主要由加工过程中刀具与工件外表间的摩擦、切屑分别工件外表层资料的塑性变形、工艺系统的高频振动以及刀尖轮廓痕迹等缘由构成。. 外表粗糙度会引起外表力场变化，进而影响其外表性质： 由于固体外表的不平坦构造，使外表力场变得不均匀，其活性和其它外表性质也随之发生变化。 粗糙度还直接影响到固体比外表积，内、外外表积比值以及与之相关的属性，如强度、密度、润湿、孔隙率和孔隙构造、透气性和浸透性等。 粗糙度还关系到两种资料间的封接和结合界面间的吻合和结合强度。 .

8、外表微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微裂纹同样会剧烈地影响外表性质，对于脆性资料的强度这种影响尤为重要。脆性资料的实际强度约为实践强度的几百倍，正是由于存在于固体外表的微裂纹起着应力倍增器的作用，使位于裂痕尖端的实践应力远远大于所施加的应力。葛里菲斯Griffith建立了著名的微裂纹实际，并导出了资料实践断裂强度与微裂纹长度的关系：式中， R为断裂强度，C为微裂纹长度， E为弹性模量，是外表自在能。外表微裂纹. 剩余应力自学 外表氧化、吸附和沾污自学.2.3 外表热力学一、液体的外表张力与外表自在能液体的外表张力 设液面上不断线的长度为l，假设在此线上施加外力f恰能使它平衡不动，那么该外力f就等于外表张力。实验证明： 式中称为外表张力系数或比外表张力，普通就简称它为外表张力。 .2. 液体的外表自在能 总外表(自在)能Gs等于添加外表积A所需的可逆功。 比外表能，简称外表(自在)能等于添加单位外表所需的可逆功。写成关系式为GsA 比外表能可以定义为 对于液体来说，外表(自在)能与外表张力是一致的：. 二、固体的外表自在能和外表张力与液体相比：1固体的外表自在能中包含了弹性能。外表张力在数值上不等于外表自在能。2固体的外表张力是各向异性的。3实践固体的外表绝大多数处于非平衡形状，决议固体外表形状的主要是构成固体外表时的条件以及它所阅