表面物理化学复习提纲

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1.简述现代表面科学技术的中英文全称和缩写、原理及主要信息。应用方法载体入射电子入射光子入射离子入射中性粒子发射电子原子力分子力结构分析成分分析电子价态分析EELSUPS,XPS表面物种分析HREELS产物分析功函数分析PEEMUPSWorkFunctionLEED,RHEED,AESFIM,FEMXRDSTMAFMXPSSIMS,ISSIRAS,SERSTPD,TPR2.熟悉二维晶体结构的Miller指数记法。

(1)晶面标记:Miller指数法，即fcc(lmn),bcc(lmn),hcp(lmn)...均代表一个晶面，其中l、m、n均为正整数。

(2)(lmn)的确定：在给定的晶体中，选定某一面，将其与晶体坐标的截距的倒数进行最小公倍数通分，所得的最小整数比值分别对应l、m和n。这个面称为(lmn)面，与其矢量正交的法线方向称为这个面的法线，记为[lmn]，这是一个矢量。(3)几个特别的符号：

()代表晶面，{}代表等价面。它的等价面记为{lmn}。[]代表晶面矢量法线方向，代表等价矢量法线方向。

fcc和bcc的晶面和矢量法线是相互垂直的，其余的晶体则不一定。

3.熟悉fcc，bcc和hcp的几个低Miller指数晶面结构。

在fcc晶体中，(111)面的原子形成六角密堆积；(100)形成正方形；(110)形成高低不平，最上层为长方形的结构。

在bcc晶体中，(110)为六角堆积，但比fcc的(111)面的六角堆积要松散；(100)为正方形，原子间有间隙；(111)的表面结构繁杂，有三层露空。

hcp晶体的表面结构远比fcc和bcc繁杂，由于它不是简单Bravais格子，原子在A位的上下堆积和在B位的上下堆积不一致。hcp中，(001)面的原子堆积是一致的。(100)面就会有(100)A和(100)B之分，形成搓衣板结构。在搓衣板的每个小侧面，原子可能形成长方形和三角形结构。

hcp中，(101)面就更繁杂了。一种是形成类似六方密堆积的结构，但每间隔一个原子排会在表面上稍稍隆起；另一种则形成台阶结构，较为繁杂。这可由侧面图看出来。4.熟悉hcp结构的四Miller指数记法。

hcp晶体中(100),(010)和(001)非等价。用四位数的Miller指数(lmkn)来标记hcp的晶面，

其中k=-(l+m)。

与fcc及bcc晶体的等价面相类比，hcp的(100)和(010)是等价面，这两者和(001)不是等价面。

任何一个(lmkn)晶面表达式都表示hcp晶体，将第三位数字简单划去就可以变成Miller三指数记法中的(lmn)。

5.熟悉重构表面和吸附层结构的Wood记法和矩阵记法。(1)矩阵记法:

表面的周期性可以和体相不同。一个表面单胞基矢a’和b’异于体相投影得到的单胞基矢a和b，且可以表达为：a’=m11a+m12b,b’=m21a+m22b,其中的m11，m12，m21和m22构成矩阵M，该矩阵可以定义任何单胞：

?m11M???m?21m12??m22??当表面单胞与从体相推测而来的衬底单胞不同时，这个表面结构也称为超晶格

(superlattice)。当超晶格的M是一个对角矩阵时：

?m1M???0?0??m2??该超晶格可以简写为(m1m2)或者p(m1×m2)，p代表primitive。当超晶格是一个非零矩

阵，可以简写为c(m1×m2)，c代表centered。(2)Wood记法：

对于给定的理想晶体表面，易找到简单格子的晶格矢量a’和b’(|a’|0，说明一致原子之间的吸引要大于异原子之间的吸引(吸热混合)，所以具有最低表面能的组分会在表面形成金属簇；(2)若Ω与纯金属催化剂相比双金属合金在催化重整反应时往往表现出优越的活性、选择性和抗失活能力。

通过添加一种或几种过渡金属（Re，Pd，Ir或Au），双金属或多金属Pt催化剂体系被发展来在高反应温度下运行以获得高反应速率。它们失活速率减缓慢（寿命较长），对于给定的化学反应（脱氢环化或异构化）也具有比单组分催化剂更高的选择性。53.表面反应的选择性与哪些因素有关？

表面结构，催化剂的组分（如是合金还是纯金属），反应条件

研究说明台阶表面上的H-H和C-H键的断裂过程比平坦晶面上更简单，而皱褶中心有助于C-C键的剪切，这些中心对烃转化反应中存在的任何化学键的断裂都是最活泼的。54.什么叫硬度？定义如何？如何试验测量？硬度表示材料抗争硬物体压入其表面的能力。定义为

，挤压试验中，

一个特定形状的挤压头以负载P压向材料表面。负载撤离后，测量挤压的表面积A。55.什么叫弹性变形和塑性变形？

弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。

塑性变形：在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。56.什么叫粘着功？

粘着功是将单位面积的界面分开为A和B两相所需的功：

?A和?B是新分开的表面界面能，?AB是结合相A－B的界面能。?57.摩擦系数是如何定义的？有几类？

摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。它是和表面的粗糙度有关，而和接触面积的大小无关。依运动的性质，它可分为动摩擦系数和静摩擦系数。引起一个物体在表面上滑移所必需战胜的力叫做静态摩擦力。维持一个物体在表面上的滑移的力叫做动态摩擦力。静态摩擦力大于动态摩擦力。图7.10给出一个加在界面上的负载L。摩擦力F与负载成正比：F=?L?为摩擦系数。在相当大的负载范围，摩擦力与物体和表面的接触面积无关。

58.什么叫Amontons定律？这个定律在宏观和微观上均适用吗？

给出一个加在界面上的负载L。摩擦力F与负载成正比：?为摩擦系数。在相当大的负载范围，摩擦力与物体和表面接触面积无关。这种比例关系成为Amontons摩擦定律。仅在宏观上适用。目前有相当多的AFM和其它技术的试验结果指出Amontons定律在微观尺度上是不一定成立的。

59.什么是Hall-Petch关系及反Hall-Petch效应?

多晶材料中，带有多晶结构的小尺寸晶粒被晶界包围着。Hall和Petch意识到晶界充当了位错运动的障碍物以至于晶粒中堆积的位错数目由晶粒尺寸和两个位错平衡距离所决定。在一致的外应力下，该数目随着晶粒尺寸的降低而下降。相反地，对于较小的晶粒，需要更大的外部应力来产生一致数目的位错。Hall-Petch关系式给出了屈服强度的晶粒尺寸依靠关系：

其中?0和k是材料的常数，d是晶粒大小。该关系式十分好地

描述晶粒处于1mm~1μm之间的多晶材料。然而，最近的研究说明大尺寸晶粒的Hall-Petch关系式不可以外推到尺寸小于1μm的小晶粒。图中，当晶粒小于25nm时，曲线严重偏离Hall-Petch关系式。这种反Hall-Petch效应最先由Chokshi等人在Cu和Pd纳晶中发现。这一标志性的工作刺激人们通过控制材料纳米结构来设计所需机械性质的材料。目前，反Hall-Petch效应的真正机制还不明白。不同的模型被提出来理解纳米结构材料的塑性形变。一个模型是，当晶粒小到纳米区域，每个晶粒所能支撑的位错数是十分小的。与此同时，晶界中的原子数目大幅增加。因此，纳米材料的塑性形变是由晶界的滑移造成的。60.简述预计接触面积弹性连续体接触力学的四个模型理论：Hertz，JKR，DMT和Maugis的要点和异同。

弹性连续体接触力学中有4个模型。最简单的模型是Hertz理论，其中针尖被认为是以力F压向表面、半径为R的圆滑的球，针尖和样品表面之间引力作用可以忽略（图7.18）。这个理

论预计的接触面积为：其中K是还原的Young氏模量。

JKR理论忽略接触面积外的长程力，只考虑接触面积内的短程力。根据这个假设，接触面积由下式给出：

其中接触时的粘着功W可以计算为：

粘着力Fadh从力-位移曲线上预先知道。JKR理论适用于大半径针尖和高粘着性及软的表面之间接触的情形。

DMT理论中，接触面积内的粘着力或略不计，只考虑接触面积内的长程粘着力。接触面积由

下式预计：

其中接触时的粘着功W可以计算为：

DMT理论适用于小半径针尖和较小粘性的表面之间的接触。Maugis理论是最完备和确凿的，它考虑了整个接触面积内的粘着力，包括DMT和JKR两种模型的极限状况。

零负载时，Hertz理论给出了0接触面积，由于没有粘着力。JKR理论给出的接触面积大于DMT理论的值，两者之间的中间状态由Maugis理论得出。61.AFM是如何测量单键的？AFM技术也用于研究单键断裂。Rubio等人将Au针尖浸入Au衬底，然后撤离来形成针尖和沉底之间的单根纳米线（图7.28）。纳米线的直径、电导和拉