教学课件-材料物理学

2025/2/25材料物理学第1章1材料物理学第1章凝聚态材料本章讨论凝聚态材料基本结构与性质。§1.1晶体、非晶体、准晶体与液晶§1.2纳米材料§1.3超晶格材料与低维材料§1.4复合材料与梯度功能材料2025/2/25材料物理学第1章2什么是凝聚态？通过分子原子间的相互作用而结合在一起，有固定的体积的物质称凝聚体（CondensedSystem）。凝聚态有固态与液态，它们的基本差别是：固态有固定的形状。从原子排列的有序程度来看固态可分为：

晶体：单晶、多晶、微晶、非晶体、准晶液晶是具有各向异性的液相。凝聚态比固体的概念要宽。从原子排列的有序程度看

晶体＞准晶体＞非晶体＞液晶＞液体。2025/2/25材料物理学第1章3§1.1晶体、非晶体、准晶体与液晶1.1.1晶体与非晶体1.晶体长程有序和短程有序。外形的对称性，与物理上各向异性。有固定的熔点。2.非晶体短程有序、长程无序。没有对称性和固体的熔点，物理上的各向同性。3.多晶与微晶2025/2/25材料物理学第1章41.1.2准晶1.准晶的结构特征准晶(quasicrystal)是一种奇特的固体，它的原子结构相当規則，但却不像晶体(crystal)那么規律。虽然局部來看，准晶的结构也有一定的規則与某些規律，但是准晶却不存在可以填滿整个空间的最小单位“单胞”(unitcell)。此外准晶还具有一般晶体沒有的如五边形的对称性等等。

准晶是短程有序，长程取向有序，具有准周期性。2025/2/25材料物理学第1章52.准晶与二十面体二十面体不仅堆积密度高，势能低，对称性也高。它相当于5个具有点群的立方体按五次对称的要求穿插在一起，共有5×24=120个对称要素。它有6个五次轴，10个三次轴，15个二次轴，比晶体中对称性最高的立方对称的48个对称素要高很多。二十面体原子簇在三维空间堆积方式多种多样。2025/2/25材料物理学第1章6

两个二十面体可以共用一个顶点连接在一起；还可以共用一个棱、共用一个三角形、也可以穿插共一个五角形。通过这些不同方式连接，可以给出一串二十面体，或一种二十面体三维骨架。所以在原子簇和C60分子结构中广泛存在二十面体。准晶可以看作是由许多二十面体堆积而成。二十面体在小系统中自由能有利于其它多面体类型。但一旦长大，二十面体晶面数目多，表面能大，又变得不稳定了。所以准晶不会长得太大。2025/2/25材料物理学第1章7准晶相实际上是一类特殊的合金相，它的伪布里渊区为接近Fermi主球的多面体，因而电子会产生强烈的相互作用。这种特殊作用会影响到准晶的电学、力学性质。准晶有一種特殊的原子运动模式称為phason。从结构上看，准晶至少是由几种基本結构的組合后，以填滿整個空間。准晶內的原子振動，可使得這幾種基本結构之間來回变換，而不會破坏准晶的存在。迄今为止，发现的准晶已有100多种。2025/2/25材料物理学第1章82.准晶的力学性质（1）高强度、高硬度

Al-Cu-Fe二十面体准晶和其类似相合金（包括添加少量其它元素的合金）压缩强度可达700Mpa以上，硬度为Hv600-900。（2）脆性大，室温下变形难。准晶压缩率小于1％，但在高温时则呈超塑性。这是因准晶中的位错是固定，位错不易发生滑移而对形变作出贡献。（3）表面能低准晶的低表面能与它的低表面电子态密度有关，所以它有极低的磨擦系数；其次，有损伤自恢复功能，由于磨擦引起的裂纹，会在随后的磨擦过程中消失，因而显示出一定的韧性；准晶与食品的不粘性也很好。2025/2/25材料物理学第1章93.准晶的可能应用除须要克服其脆性外，准晶的不良导电导热性能和高强度可能获得多方面的应用。如准晶涂层已成功地用在不粘锅上，取代不耐用的Tefolon。准晶态的磁性研究也见报导。准晶的热障特性和耐磨性，可作为汽车、航空业中发动机内壁涂层、活塞材料，这可能是近期内有突破性进展的方向之一。2025/2/25材料物理学第1章101.1.3液晶在力学上具有流动性，光学性质又具有各向异性的一种凝聚态材料。1.液晶的种类（1）从形成来分类热致液晶材料加温至熔点或玻璃化温度时呈现。溶致液晶材料到一定浓度时才呈现。2025/2/25材料物理学第1章11（2）从结构上分类近晶型分子排列成层层内分子长轴相互平行，保持二维有序性；向列型分子不排列成层，只在分子长轴方向上保持平行，具有一维有序；胆甾型分子呈扁平形状，排列成层，层内分子呈向列液晶织构排列，分子长轴平行层平面，但不同层的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状。2025/2/25材料物理学第1章12（3）大分子（聚合物）液晶和小分子液晶。2025/2/25材料物理学第1章13（4）盘狀液晶

液晶由具有盘状大分子组成。盘狀分子是由上下互相堆叠成間距不同的柱狀体(column)组成,而這些柱狀体再以四边形或是六边形方式组成盘狀分子的基本排列。这是1977印度科学家合成的。低分子量系统(Lowmolecularsystem)高分子量系统(polymerssystem)。2025/2/25材料物理学第1章141.1.4凝聚态与凝聚态物理学凝聚态物质的尺度从几米到零点几纳米,时间范围为几十年到10-15秒,能量范围从几千开到纳开,粒子数通常在1027—1021，也会遇到很少的粒子数(103—101)。这就是纳米尺寸。2025/2/25材料物理学第1章151.固体物理的范式周期性对称性，波在周期性势场中的传播晶格动力学，X射线能带2025/2/25材料物理学第1章162.凝聚态中的范式对称性不能连续变化-对称破缺晶体：平移对称的破缺铁电体：空间对称的破缺磁性：时间对称的破缺超导超流：波函数相位破缺共有四个层次：基态，元激发，缺陷和临界状态。2025/2/25材料物理学第1章173.凝聚态的发展方向材料的微细化强关联体系有机材料2025/2/25材料物理学第1章181.1.5决定系统处于何种形态的判据系统所处的状态由自由能F最小来决定F=U–TSU为内能，是系统中原子的相互作用能，原子排列有规则，作用能内能为最小，系统有序，能处于稳定状态。S为熵S=klnW

，W为某一宏观态下可能的微观状态数。W越大，则S也就大，系统无序，-TS也能使自由能变小。2025/2/25材料物理学第1章19系统处于何种状态，由U和S两个因素决定。在高温下熵起主要作用，系统中原子排列是无序的。在低温下内能能起主要作用，固材料处于有序的晶态。随着温度的升高，材料的转变为：

晶体→准晶体→非晶体→液晶→液体。本节讨论各类凝聚态原子排列的特征与性能的关系。各类凝聚态间的转换和固体中的原子堆积和主要缺陷将在固体微观理论中讨论。2025/2/25材料物理学第1章-2-120§1.2纳米材料1.2.1纳米材料概述1.纳米材料与超微颗粒纳米材料颗粒的直径为2-10nm，原子数102-104个，大概有一半以上的原子处于表面界面上。2025/2/25材料物理学第1章-2-1212.超微颗粒通常泛指处于原子、分子与宏观物体过渡区域的固态微颗粒，其尺寸的上下限为1-100nm。胶体化学家称之为胶体颗粒；晶体学家称之为微晶；材料学家称之为超微粒；原子核子物理学家称之为团簇、大分子。由于这种固体的临界尺寸多发生在纳米范围，为纳米材料或纳米粒子；固体和理论物理学家则形象地称之为量子点。不同的研究领域对超微颗粒提出了不同的观点与见解，甚至中外文名词亦末统一。2025/2/25材料物理学第1章-2-122

如按材料的性质纳米材料可以是金属、半导体、或绝缘体；按原子排列，纳米颗粒可为晶态、准晶态或非晶态。按照纳米材料的空间维数可以分为（1）零维的超微颗粒（2）一维多层薄膜（3）二维的超细颗粒复盖膜（4）三维的纳米块体材料,如图1所示。2.纳米材料的类型2025/2/25材料物理学第1章-2-1233.纳米复合材料按照组成相的数目，可以分为纳米相材料和纳米复合材料。纳米复合材料涉及面较宽包括范围较广，大致可分为三种类型：0-0复合为不同种类的纳米粒子复合的纳米固体，0-3复合为把纳米粒子分散到常规的三维固体中，0-2复合为纳米粒子分散到二维薄膜中，有均匀弥散和非均匀弥散二种情况。实际上目前纳米材料得到实际应用的主要是复合纳米材料。

量子点、量子线量子阱是微电子技术中正在开发研制的一些新材料，它们也是纳米材料。2025/2/25材料物理学第1章-2-124将纳米结构的单元整齐排列的二维和三维结构称纳米结构。纳米晶、量子点、纳米丝、纳米棒、纳米电缆、纳米管和纳米薄膜等。一些原子和细胞的尺寸：氢0.08nm，非金属0.1-0.2nm，金属0.3-0.4nm红血球200-300nm，大肠杆菌200-600nm。2025/2/25材料物理学第1章-2-125

1.纳米材料的微观结构

纳米晶材包含两个结构单元：具有长程有序不同相的晶粒和晶粒间的界面组元如图2所示。而纳米非晶材料包括玻璃相组元及界面组元。2.界面结构特征界面组元具有两个特点：（1）原子密度降低，（2）最近邻原子配位数变化。界面部分的平均原子密度比同样成分的晶体密度少10%～30%，而典型的玻璃密度大约为同成分晶体密度的96%～98%。界面密度的减少大约是玻璃密度减少的5～10倍。同时,晶界的原子间距差别也较大，导致了最邻近原子配位数的变化。

1.2.2纳米材料的微观结构特征与性质

2025/2/25材料物理学第1章-2-1263.纳米晶界特性基于不同的实验结果,许多人提出了一些关于纳米材料界面结构模型,例如类气纳米非晶材料的微观结构态模型、有序模型、结构特征分布模型等。由于所采用的测试手段及材料不同,制备方法不同,这些模型往往是互相矛盾的。纳米材料具有以下三个特征:具有尺寸小于100nm的原子区域(晶粒或相),显著的界面原子数，组成区域间有明显的相互作用。2025/2/25材料物理学第1章-2-1271.2.3纳米材料的特殊效应

1.表面效应与宏观块材相比，纳米粒子体具有巨大的表面积，如将体积为1cm3物质粉碎成1nm的微粒，表面积就从6

10-4m2增加6

102m2。表面的原子通常配位不足，不饱和键与悬掛键数目特多，易于与其它原子结合，有很高的表面活性。块金T熔=1603ºC

，2nm时T熔=327ºC块银T熔=960ºC，2nm时T熔=100ºC2025/2/25材料物理学第1章-2-1282.小尺寸效应小尺寸效应是指随着颗粒尺寸的变小所引起的宏观物理性质的变化。

（1）能级的离散性久保（Kubo）理论1962年，久保（Kubo）对金属超微粒费米面附近电子的能级分布进行了研究因为当粒子尺寸进入到超微粒（纳米）量级时，由于量子尺寸效应，大块金属的准连续能级发生明显分裂。2025/2/25材料物理学第1章-2-129（2）尺寸诱导相变对具有同素异构转变的全属的纳米粒子进行XRD和TEM分析时发现，除有常温结构相外，还含有高温结构相。

在Ar气氛中蒸发铁制备的纳米铁粉体中发现，除了存在

-Fe（体心结构）相外，还有高温相

-Fe（面心结构）。研究中发现，随着粒径的减小，纳米微粒中高温相出现的几率增大。

2025/2/25材料物理学第1章-2-130（3）电磁性能

当尺寸减小到10-15nm时，纳米银粒子的电阻会突然升高，而失去了金属的性质。一些绝缘材料到纳米尺寸时变为导体或半导体。磁性纳米粒子会成为单畴粒子，和超顺磁性。介电受限效应，介电常数受尺寸影响，一些铁电材料变成超顺电材料。2025/2/25材料物理学第1章-2-131

纳米氧化物和氮化物在低频下介电常数会增大几倍，甚至大1个数量级。纳米固体在较宽的波长范围内显示出对光的均匀吸收，几十纳米厚的薄膜相当于几十微米厚的普通材料的吸收效果。普通金属对光的反射率很高，而纳米金属微粒的反射率显著下降，通常低于1％。2025/2/25材料物理学第1章-2-1323.量子尺寸效应由于在纳米材料中电子的运动受到了限制，所以出现禁带变宽和能带分裂成子能带和能级等现象。由于激子状态的变化除出现蓝移外还可能出现红移。纳米粒子分立的能级不能按连续的能带论处理，从而呈现出宏观物体不存在的一系列新效应，称之为量子尺寸效应。

2025/2/25材料物理学第1章-2-1334.宏观隧道效应

一些宏观量如微小颗粒的磁化强度、量子干涉器中的磁通量可以穿过宏观系统的势垒。宏观量子隧道效应的基础研究和应用有重要意义。如它限定了磁盘进行信息存储的最低时间。这一效应和量子尺寸可能会是未来微电子器件的基础。2025/2/25材料物理学第1章-2-1345.库仑阻塞效应在纳米结构中，由结电容所确定的静电能量在低温下与热能kT为同一量级。当电子通过隧道结时，会使隧道势垒两端的电位差发生变化,由一个电子隧穿所引起的电位差变化可达数mV左右，此时静电能量的变化比热能kT还大。则由一个电子隧穿引起的电位变化会对下一个电子的隧穿产生阻碍作用，这就是所谓的库仑阻塞效应。库仑阻塞与单电子隧穿是紧密相连的，它表现为体系的静电能量对电子隧穿过程的影响。这是单电子器件的基本原理。2025/2/25材料物理学第1章-2-1351.2.4纳米材料的特殊物理性能1.扩散及烧结性能纳米材料具有较高的扩散率。纳米铜晶体的自扩散率是普通点阵扩散的106-1019倍，是晶界扩散的103倍。较高的扩散率对于蠕变、超塑性等力学性能有显著的影响，同时可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂，也可以在较低温度使不混溶金属形成新的合金相（如不溶的铜-钨在纳米态时可形成合金）。巨大的扩散能力产生的另一个结果是使纳米材料的烧结温度大大的降低。

2025/2/25材料物理学第1章-2-136纳米材料的硬度随着粒径的减小而增大，当晶粒尺寸下一步减小，硬度随着粒径的减小而下降。普通陶瓷在常温下很脆，而纳米陶瓷不仅强度高，而且具有良好的韧性。3.超塑性

超塑性是指材料在断裂前产生很大的伸长量,这种现象通常发生在经历中温、中等到较低的应变速率(10-6到10-2ｓ-1)条件下的细晶材料中。一般认为陶瓷具有超塑性应该具有两个条件：（1）较小的粒径和（2）快速的扩散途径(增强的晶格、晶界扩散能力)。2.力学性能

2025/2/25材料物理学第1章-2-137金属纳米材料电阻随尺寸下降而增大，电阻温度系数则下降，为负值。。原先的绝缘体的氧化物，在纳米尺寸时，电阻则下降。

10-25nm的铁磁金属纳米材料的矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而当尺寸小于10nm时矫顽力变为零，表现为顺磁相。纳米氧化物材料对红外、微波有良好的吸收性，原先不发光的硅材料当成多孔硅或纳米硅时可以发光。

4.电磁性能2025/2/25材料物理学第1章-2-138纳米材料的物化特点：1.低熔点，高比热，高膨胀系数。2.高反应活性，高扩散系数。3.高强度，高韧性，高塑性。4.奇特的电性能与磁性能。5.极强的吸波特性。2025/2/25材料物理学第1章-2-1391.2.5纳米材料的制备

纳米粉体的制备自从1981年,德国的Gleiter采用惰性气体冷凝法制备出纳米尺寸的金属颗粒的纳米金属。许多学者投入到对纳米材料制备技术的研究中,大量新工艺、新方法的出现使之成为纳米材料科学中最为活跃的领域。纳米材料的制备方法有：气相法、液相法和固相法。2025/2/25材料物理学第1章-2-1401.气相法气相法分为物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（PVD）。物理气相沉积法是利用高温热源、电弧或等离子体等将材料加热使其气化，然后快速凝聚成纳米粒子，其中真空蒸法较为常用化学气相沉积法选用挥发性金属化合物或金属单质蒸气通过化学反应生成所需化合物。2025/2/25材料物理学第1章-2-1412.液相法液相法是选择一种或多种溶性盐类配制成材料计量比所需要的浓度的溶液，然后再使其沉淀或直接水解，让金属离子沉淀或结晶出来而得到纳米粉末。液相法有：沉淀法、水热法、水解法、溶胶-凝胶法、喷雾法等。这些方法由于组分可调，设备简单，并且粉末粒径比较均匀，规模较易控制，因而备受青睐。2025/2/25材料物理学第1章-2-1423.固相合成球磨法通过球磨直接将原料粉碎产生纳米粉体，由这类方法制备的纳米粉末，其粉末粒径有较大的分布范围，且易受污染，但其设备简单，价格低廉，在要求不太高时，有实用价值。球磨法的设备除常规球磨机外，国内外已开发出极端条件下的球磨机，如高温高压球磨机和液氮温度下的球磨机，用以制备一些特殊的纳米粉体。2025/2/25材料物理学第1章-2-143室温固相合成这是一种近年开发的合成纳米氧化物的新方法。它克服了传统湿法存在的困聚现象，同时也充分显示了固相合成无需溶剂，产率高、反应条件易掌握等优点。如在合成纳米氧化锌时用锌盐与碳酸纳、草酸纳等发生室温固相反应，生成前驱物ZnCO3、ZnC2O4，前驱物在一定温度下灼烧分解即得纳米氧化锌。2025/2/25材料物理学第1章-2-1441.2.6纳米材料的应用

1催化催化反应是指物体表面部分形成有效的活化中心，提高反应效率，增加反应路径，纳米微粒表面有效活性中心多，这就使一些纳米粉体和纳米多孔材料可以做为催化剂。30nmNi在加氢或脱氢时的反应速率增加15倍。目前用纳米粒子用作的催化反应有三种类型：（1）直接用纳米微粒铂、银、Al2O3和Fe2O3等在高分化子聚物的氧化、还原及合成过程中做催化剂，一方面可大大提高反应效率，而且能很好控制反应速度和降低反应温度；（2）把纳米微粒掺合到发动机的液体和气体燃料中，可提高燃烧效率；（3）在火箭等用的固体燃料中掺有Al的纳米微粒时，能使燃烧效率提高若干倍。2025/2/25材料物理学第1章-2-1452.烧结和轻烧结体（1）高熔点材料的烧结纳米固体界面积巨大，熔点低，通常需要在高温下才能烧结的SiC，WC，BN等高熔点材料，在纳米态下可在较低温度下进行烧结，并且不用加添加剂就能达到高密度，从而可获得良好性能。纳米ZrO2烧结温度比微米降低400ºC；常规Al2O3烧结温度为1800-1900ºC，纳米在1150-1500ºC时烧结时密度可迏理论密度的99.7%。2025/2/25材料物理学第1章-2-146（2）复相材料的烧结

复相材料中由于各组元有不同的熔点和相变温度，通常情况下烧结比较困难。纳米微粒的小尺寸效应和表面效应，不仅能使其熔点下降，而且相转变温度也会降低，这样，在低温下就可能进行固相反应。（3）轻烧结体

轻烧结体是以纳米微粒构成的、密度只有原有材料的十分之一左右的块状海绵体。

2025/2/25材料物理学第1章-2-147日本用这种方法制备了Sm-Co纳米合金和复相陶瓷材料。纳米固体低温烧结特性还被广泛用于陶瓷与陶瓷薄膜之间的焊接材料，陶瓷表面绘画，电子线路的衬底，低温蒸镀印刷和金属-陶瓷低温接合等方面。利用其庞大的表面和纳米微粒的小尺寸效应可制成多种用途的器件：（a）过滤器：在气体和液体通过纳米轻烧结体时，杂质在微粒表面化而被吸除；（b）电池电极：纳米轻烧结体作为化学电池，燃料电池和光化学电池，可以增大反应工作面，提高效率，减轻重量；（c）化学成分探测器：利用纳米轻烧结体暴露在液体、气体中的庞大表面，与所探测成分发生反应引起阻抗变化的原理，可制成高灵敏度、高响应速度的探测器。2025/2/25材料物理学第1章-2-1483.在微电子方面的应用

纳米材料虽然是一种新兴的材料，但由于其独特的性能，在微电子领域具有广泛的应用前景。纳米金属氧化物在电子元器件中作多层基板、多层电容器、导电浆料、绝缘浆料、电极等。纳米材料还也可制成单电子器件和量子器件等超小型低功耗纳米电子和光电子器件。满足器件向轻、薄、小和多功能的要发展目标2025/2/25材料物理学第1章-2-149

纳米铁（粒径6nm）磁化强度比粗铁降低40％，这可能是纳米晶组织特有的自由体积大的晶界构造所引起，然而也发现非铁磁性材料纳米化后可以转化成磁性材料。超细磁性合金材料比

-Fe2O3磁带寿命提高一倍以上。可以做为永磁吸波材料、磁制冷材料、磁流体、磁记录、磁光元件、磁光记录等方面有很多用处。利用铁磁纳米材料具有很高矫顽力的特点，可制成磁性信用卡、磁性钥匙，以及高性能录像带等。许多纳米金属颗粒是良好的吸波材料，可用于雷达波、红外及可见光等频段，能使坦克、军舰、达到隐身的目的。利用纳米材料等离子共振频率的可调性，可制成隐形飞机的涂料。在光学和光电子方面，它可以做为吸波隐性材料、光反射材料，还可应用于光通信、光存、光开关、光过滤等方面。2025/2/25材料物理学第1章-2-150当纳米颗粒的尺寸与德布洛衣波或在其中传播的光波波相当时，周期性的边界条件被破坏，所以在声、光、电磁、热力学等性质上都会表现出小尺寸效应.其具体的表现为：对光吸收的显著加强，并产生吸收等离子共振，所以纳米微粒与纳米固体是在传感器方面最有前途的材料。纳米金属粉体除用于机械制造外在仪器仪表和微电子等工业中也有重要应用。如可以在低于熔点一半的温度下进行整体焊接而不发生热变形，在溶液中加入5％纳米级金属粉末能使溶液粘度增加1到4个量级；将纳米金属粉末加入粘接剂中，可以明显提高粘接剂的强度；加入润滑剂中后能使润滑性增加10倍，并显著减少机械部件的损耗。2025/2/25材料物理学第1章-2-151由于纳米材料的巨大表面和界面，对温度、光、湿度等外界环境十分敏感。外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态或电子输运状态的变化，导致阻抗或其它物理性能的变化。由纳米级粉体制备的气体传感器，其检测灵敏度高，工作温度低，有的还可在室温下工作（目前一般的气体传感器的工作温度约为300-400℃）。用纳米材料制备的传感器的特点是：功耗小，响应速度快，灵敏度高。目前已开发出多种类型的用于气体、温度、湿度和红外线检测等用途的传感器。2025/2/25材料物理学第1章-2-1524.在医学、生物和环保工程上的应用

纳米材料在医用过滤器、能源材料、环保用材等方面也具有广泛用途。由于纳米粒子的尺寸比红血球小得多，可以自由地在血液中活动；可以用纳米材料进行细胞分离、细胞染色等这就为医学和生物研究提供了一个新的研究途径。2025/2/25材料物理学第1章-2-153纳米金属颗粒的高活性反应可进行微生物分裂、发酵控制及细胞分离等研究，还可用于抗肿瘤药物与致癌物质的作用机制方面等研究。例如，将纳米粒子注入到人体中的某些部位，可以用作检查病变和治疗。目前已经用纳米SiO2微粒来进行细胞分离，用金纳米颗粒进行定位病变治疗，采用这样的技术，可以减少药物和检查对人体的副作用。2025/2/25材料物理学第1章-2-154

纳米粒子的粒径小，光生载流子比粗粒子更容易通过扩散从粒子内迁移到表面，有利于交换电子，促进氧化还原反应的进行的。如白色锐钛矿TiO2纳米粒子在可见光的照射下能对碳氢化合物有催化作用，利用这一效应，如果在玻璃和瓷砖的表面涂上一层纳米的TiO2或ZnO，就有良好的自洁作用，这种保洁瓷砖还有杀茵作用。2025/2/25材料物理学第1章-2-155

将纳米级金属粉体压制成薄片，其滤孔达0.1nm，用于制作的过滤器有广泛用途，如在医学工业中，纳米级孔隙多相过滤器可用于血清消毒，还可用于铀同位素分离工程以及精细化工中的气体超净过滤。催化剂和光催化剂纳米ＺｎＯ由于尺寸小、比表面积大,表面的键态与颗粒内部的不同,表面原子配位不全等,导致表面的活性位置增多,形成了凸凹不平的原子台阶,加大了反应接触面。有人预计,超微粒子催化剂在下一世纪可能成为催化反应的主要角色。纳米ＺｎＯ也是一种很好的光催化剂,在紫外光照射下,它能分解有机物质,抗菌和除臭。这一光催化性质已被广泛用于纤维、化妆品、陶瓷、环境工程、玻璃和建材等工业中。自洁性陶瓷与抗菌玻璃陶瓷行业是纳米ＺｎＯ的一大用户。纳米ＺｎＯ可不经磨碎直接使用,并使陶瓷制品的烧抗菌除臭陶瓷的制法。经处理后的产品可制浴缸、地板砖、墙壁、卫生间及桌石。添加纳米ＺｎＯ的玻璃可抗紫外线、耐磨、抗菌和除臭,可用作汽车玻璃和建筑用玻璃。2025/2/25材料物理学第1章-2-1561.2.7纳米材料的发展动态尽管对纳米材料的研究,只是近几十年的事,但由于这种材料所表现出的与传统材料不同的性能，向人们展示了巨大的应用前景。纳米材料中的界面原子处于一种介稳定态，稳定度及其转化规律，相应的动力学与热力学模型的建立及界面的相互作用方面是材料表面与界面学科、凝聚态物理等交叉学科的前沿。因此纳米材料将继续成为材料领域的研究热点，并且其应用范围将不断的拓宽。2025/2/25材料物理学第1章-2-157当前纳米材料发展的特点表现在以下几个方面：1.

纳米材料的研究对象不断的扩大。由于研究的不断深入，纳米材料的内涵逐渐拓宽。纳米材料不仅包括纳米微粒及其形成的纳米块体、纳米薄膜，还包括了纳米组装体系。2.

在制备科学方面，大量的新方法、新工艺不断的出现，希望找到产量大、成本低、无污染、尺寸可控的制备方法，为产业化服务。2025/2/25材料物理学第1章-2-1583.

出现基础研究和应用研究并行发展的局面。许多研究直接面对工程中所提出的问题，对传统材料进行纳米改性,以期获得优良性能。4.

日益体现出多学科交叉的特点。纳米材料的研究不仅依赖于物理、化学等学科的发展，而且同电子学、生物学、测量学等产生越来越紧密的联系。2025/2/25材料物理学第1章-3591.3.1超晶格的定义将两种或两种以上不同材料按照特定的迭代序列，沉积在衬底上而构成的。典型的迭代序列包括：周期序列、准周期序列和随机序列等；相应的超晶格可以是周期的、准周期的和随机的。超晶格对交替层的厚度有限制：比电子的自由程或德布洛意波短。§1.3超晶格材料与低维材料2025/2/25材料物理学第1章-3601.3.2各种超晶格最早研究的是从单晶半导体异质结研制超晶格，都是严格周期性和纳米尺寸的晶格常数。半导体超晶格：调制超晶格，异质结超晶格和应变超晶格等三大类。目前已有多晶、非晶和金属或氧化物等超晶格材料。超晶格有许多独特的性质，主要用于微电子、光电子和传感器。1.3.3制备方法分子束外延、脉冲激光沉积、MOCVD、真空蒸发、溅射、Sol-Gel、电镀、化学镀等。2025/2/25材料物理学第1章-3611.3.4金属超晶格由金属或合金纳米尺寸多层薄膜叠加。巨磁阻（GMR）：Fe/Cr/Fe多层结构，由于层间的交换耦合作用而形成磁阻。金属超晶格材料中有一个与软X射线(波长1-10埃)和紫外线波段匹配的超周期，所以能产生垂直反射。利用这一特性，用金属超晶格作短波光学器件已获成功。2025/2/25材料物理学第1章-362

目前金属超晶格研究的一个重点用于表面改性，增加材料的硬度、强度和润滑性。表面强化：TiC、TiN、NbN、VN等金属超晶格有明显的强度、耐磨、硬度等力学性质的增加，金属超晶格的出现，增加了由于界面和界面相的作用。金属超晶格的特性，可以用作新型压力传感器。2025/2/25材料物理学第1章-3631.3.5介电超晶格在介质材料中，重要的物理过程是光波或超声波的传播与激发，其波长是

m级，波矢远小于介电晶体的倒格矢，完全等价于连续介质中的行为。如果介质材料中形成具有

m级的调制结构，即构成了介电体超晶格，又称光学超晶格。光学超晶格与一般的介电超晶格有一定区别。2025/2/25材料物理学第1章-364由一些铁电材料组成的多层结构，电极／F1／F2／F1／F2……／电极的结构形式。其中F1与F2为不同介电薄膜，通常为铁电材料，一般单层膜厚为20-200nm。常用多层结构：PbTiO3/PbZrO3，PbTiO3/SrTiO3，BaTiO3/SrTiO3等。2025/2/25材料物理学第1章-3651.3.6BaTiO3/SrTiO3应变超晶格BaTiO3的晶格常数是0.399nm，SrTiO3的晶格常数是0.391nm，结构相同，晶格失配3%。沿界面方向BaTiO3层受压缩，SrTiO3层拉扩张；在垂直面方向则BaTiO3层扩张，SrTiO3层收缩。这是一种应变超晶格，它会自行消除应变能，故能维持层状生长。2025/2/25材料物理学第1章-3661.3.7介电超晶格的获得与基本性能可以用分子束外延或脉冲激光来获得介电超晶格。微米级尺寸的介电体超晶格，可通过控制掺杂浓度、形成温度梯度、电场等方法来形成。介质超晶格可实现非线性极化率的周期跃变和准相位匹配、来获得非线性光学增强（如二次倍频和三次倍频等）。介电体超晶格在光电子学、声子学中可以得到应用。2025/2/25材料物理学第1章-3671.7.8低维材料材料的某个方向的尺寸比电子的德氏波短或相当。量子阱（超晶格）二维，量子线一维，量子点零维。低维材料与纳米材料有关。低维材料与介观态并不能划等号。多孔硅和纳米晶硅都是纳米材料。2025/2/25材料物理学第1章-3681.3.9

超晶格发展动态1.超晶格热电材料随着人们对环保、能源的重视，近期热电材料引起了人们的关注。（1）热电优值热电材料有一个重要参数热电优值ZT=a2σ/λa为热电动率，σ为电导率，λ为热导率通常希望ZT越大越好2025/2/25材料物理学第1章-369但这几个参数是相互矛盾的：σ大，λ也大，a就小。通常热电材料的ZT较小,研究中发现超晶格的值比较大。GaAs块材的ZT为0.0085，GaAs/AlAs超晶格的ZT为0.1。而且与超晶格的尺寸有关。2025/2/25材料物理学第1章-3702.超晶格ZT大的原因超晶格中价带中重空穴和轻空穴的简并度消除，使态密度和载流子浓度增加，使σ和a均增加。超晶格阱宽可与声子的自由程比拟，边界处由于势场畸变，使声子的倒逆过程增加，故超晶格的热导减小。2025/2/25材料物理学第1章-371目前研究的超晶格都是现用的半导体材料做成的超晶格Bi2Te3/Sb2Te3目前认为超晶格是热电材料中比较有发展前途的材料。研究中发现，量子线的ZT在线宽为0.5nm时，可达14远大于体材料与超晶格被认为与低维材料态密度急剧增大与声子强烈受阻有关。2025/2/25材料物理学第1章-3722.光子超晶格（1）光子晶体1987年由Yablonovitch提出的一种周期变化的材料。其周期为光波波长。光在这种材料中传播的情况与电子在晶体中的运动情况非常相似。也有色散关系，存在光子的充许态与禁止态。目前已出现光子晶体微腔、光子晶体微波天线、光子晶体光波导等，新型光子器件。2025/2/25材料物理学第1章-373（2）光子超晶格与其它超晶格类似，把不同的光子晶体组合起来成为光子超晶格。光子晶体的能带工程。这样像半导体中的超晶格一样，可以对光子晶体的能带进行调整而获得一些新的性质。目前这个设想提出不久，尚未见更多的报导。2025/2/25材料物理学第1章-3743.三维纳米超晶格由纳米尺寸的晶粒构成某一种晶体结构。如IBM的华生研究室的Redl等人已用胶体化学的方法控制晶粒的尺寸、浓度和淀积速率，制得11nm的

-Fe2O3晶粒和6nm的PbSe晶粒，构成一处具有AB2型的超晶格。希望通过这种纳米尺寸的砖块堆积起来的新材料，可对磁、电、光和机械性能等方面进行调控，以带来新的性质。2025/2/25材料物理学第1章-3751.3.10光子晶体与声子晶体简介1.光子材料与光子晶体在信息技术中，光子材料是指光子与光子相互作用来实现信息产生、传输、存储、显示探测处理的材料。与电子相比，光子作为信息载体，响应速度快，信息容量大。电子通信的最高载频是1011Hz,而光子则为1014Hz。2025/2/25材料物理学第1章-376

光在介电材料传输时,在高低介电材料的界面处反射。光纤就是利用这种全反射原理来传输光信号的。在此模式下，界面对光波来说必须是光滑的，这就限止了这类光学元件不能做得太小，而且光路弯曲也不能太大。

2025/2/25材料物理学第1章-3772.光子晶体的结构与性质

光子晶体是一种介电常数周期性变化排布的材料，具有折射率调制结构的材料。在光子晶体中，介电常数不同的材料代替了原子，对光而言，也会形成“势场”。如介电常数差异足够大的话，在介质的界面上也会产生布拉格反射。2025/2/25材料物理学第1章-378当波在周期性结构中传播时，对于在布里渊区边界上的波矢，由于布拉格反射形成驻波。驻波不能传播，它有两种状态，对应于不同的能量，此为禁止能量。晶格振动中表现为光频支与声频支间的能量间隔；电子在晶体中则是禁带。处于禁带能量范围内的电子在晶体中是不可能存在的。2025/2/25材料物理学第1章-379

如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向；如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。

2025/2/25材料物理学第1章-380在完整的三维光子晶体中光不能向任一方向传播。如果出现点缺陷（微腔）光可以从缺陷处射出。如果出现线缺陷，光就能会沿缺陷方向传播。这样可做到控制光波的传播方向（微光波导），可以拐很尖锐的弯。由于存在光子禁带，所以拐弯时几乎没有能量损失。利用光子晶体的这一性质可以在更小尺度上（微米、亚微米）控制光的传播，无损失地传递信号。光子晶体称为光的半导体。2025/2/25材料物理学第1章-381固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中。光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同。如光子运动服从的是麦克斯韦（Maxwell）方程，电子服从的是薛定谔方程；光子波是矢量波，而电子波是标量波；电子是自旋为1/2的费米子，光子是自旋为1的玻色子；电子之间有很强的相互作用，而光子之间没有。2025/2/25材料物理学第1章-3824.光子晶体的制备应用光子晶体是名符其实的人工晶体。从原理上讲光子晶体可以采用微电子技术的自上而下的光刻法,也可以采用由下而上的自组装技术。从总体上讲光子晶体的实验落后于理论研究。目前已有光子晶体二极管、光开关光子晶体谐振器和光子晶体光纤等试制成功。预计光子晶体将遂步用于大多数光子器件的领域并使尺寸大为减小，并会引起电子学与光子领域的一场革命。2025/2/25材料物理学第1章-3835.声子晶体人们发现，当弹性波在周期性弹性复合介质中传播时,也会产生类似的弹性波禁带,于是提出了声子晶体概念。声子晶体具有丰富的物理内涵及潜在的广阔应用前景。声子晶体的研究引起了各国研究机构的高度关注。2025/2/25材料物理学第1章-3846.声子晶体的应用声子晶体的应用在很大程度上还处于展望阶段,但声子晶体具有的禁带特性、缺陷态特性使得它在减振、降噪、声学器件等方面有着潜在的广阔应用前景。在减振方面,利用声子晶体的禁带特性,可以为高精密机械加工系统提供一定频率范围内的无振动加工环境,从而保证加工精度水平;也可以为某些精密仪器设备提供一定频率范围内的无振动工作环境,进而提高工作参数精度,提高可靠性,延长使用寿命。2025/2/25材料物理学第1章-385

在降噪方面,利用声子晶体的禁带特性,有可能设计和制造出一种全新的降噪材料。这种材料既可以在噪声的传播途中隔离噪声,又可以在噪声源处控制噪声。根据局域共振机理,如果突破了声子晶体低频禁带的设计方法,声子晶体将在潜艇的消声瓦、声纳等方面有着广阔的应用前景。

当声子晶体中存在某种缺陷时,会在周期性结构的禁带范围内产生所谓的缺陷态。根据声子晶体中存在缺陷时声波的局域特性,可以设计出新型的高效率、低能耗的声学滤波器,也可以设计出具有高聚焦特性、低能耗的声学透镜等。§1.4复合材料复合材料是由两种以上物理和化学上不同的物质组合起来的一种多相体。一般由基体组元与增强体（功能体）组成。复合材料优良性能的获得必需通过其复合效应的作用，要涉及材料设计与工艺制作两个方面。需要进行材料设计与工艺优化才能得到优良的复合材料2025/2/25材料物理学第1章-4871.4.1复合材料的分类性能高低：常用复合材料，先进复合材料。用途：结构复合材料，功能复合材料。按材料不同基体：聚合物，金属，陶瓷，碳基。按增强体（功能体）形状：纤维，颗粒，片，层叠式等。2025/2/25材料物理学第1章-4881.4.2复合材料中的复合效应1.线性效应线性效应是指复合材料的性质与增强组元（功能组元）的含量有线性关系。线性效应的内容有：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应等。

2.非线性效应非线性效应指的是复合材料的性质与增强组元的含量无直接关系；复合后可能产生一些新的性质。如乘积效应、诱导效应、共振效应和系统效应等。掌握和运用这些非线性效应，在复合材料（特别是功能复合材料）的设计时，具有较多的自由度，得到新材料。2025/2/25材料物理学第1章-4891.4.3复合材料的主要参数1.复合度（compositivity）

复合度是复合材料中各级组元所占的体积或重量百分数。改变复合度是调整复合材料性能是最为有效的手段之一。2.联结类型（connectivity）联结型是指在复合结构中，各组元在三维空间自身相互联结的方式。2025/2/25材料物理学第1章-4903.对称性（symmetry）复合材料的对称性是材料各组元内部结构及其在空间几何配位上的对称特征。

4.标度（scale）复合材料的标度是指功能组分的大小，这对功能复合材料尤为重要。5.周期性（periodicity）周期性是指复合材料中组元分布的周期特征。当需要利用复合材料中的谐振和干涉所产生的效应时，就必需在结构上严格控制复合材料在结构上的周期特征。通过对以上参数的设计，可以有效的控制材料的性能，获得良好的优值。2025/2/25材料物理学第1章-4911.4.5梯度功能材料梯度功能材料是“由一种功能在空间和时间上连续变化的材料”，梯度功能材料（FunctionallyGradientMaterials，简称FGM）又称倾斜功能材料。设计思想：在材料制备过程中，连续地控制材料的微观要素（包含组成、组织、亚结构和空隙等），使材料内部不存在明显的界面。2025/2/25材料物理学第1章-4921.4.6梯度功能材料的分类1.从材料组合方式：金属-金属，金属-陶瓷，陶瓷-陶瓷，玻璃-金属，玻璃-玻璃等多种组合方式。2.成份变化方式：梯度功能涂覆型材料（在材料表面形成组成的涂层）；梯度功能连接型（粘接在两个基体间的连接组成或梯度变化）和梯度功能材料本身（组成一侧到另一侧的结构材料）。2025/2/25材料物理学第1章-4931.4.7梯度材料的主要制备方法原位法（in-situ）材料中的第二相生成于材料形成过程。自蔓延法（self-progationsynthesis）梯度组合2025/2/25材料物理学第1章-4941.4.8梯度功能材料研究的主要内容梯度材料设计；成分的连续变化对材料热性能、强度硬度、耐磨性能和复合原则和表达公式。梯度材料制备新工艺；低价大面积重复性能好的材料。梯度材料的特性评价。热学、力学、耐辐射等性能的全面评价。2025/2/25材料物理学第1章-4951.4.9梯度功能材料的主要应用梯度功能热障涂层

等离子喷涂热障涂层（ThermalBarrierCoatings，TBC）作为热保护材料广泛用于汽轮机叶片、航天飞机燃烧室内壁等受热金属部件上。在服役条件下,TBC材料需要承受巨大的温度落差、热冲击以及高温氧化等的考验。传统的热障涂层通常包括用于增强抗氧化性和涂层附着力的MCrAlY底层和用于热绝缘的Zr2O面层。2025/2/25材料物理学第1章-4962.梯度功能第一壁材料

面向等离子体护墙材料（PlasmaFlaxmaFacting，PFM）是决定聚变能能否开发成功的关键。

PFM表面要承受来自等离子体、高能中子、α粒子及电磁辐射等的冲刷,而它的另一面必须强制冷却。因此,ＰＦＭ必须具有很高的熔点,同时应具有很好的抗热冲击性。碳复合材料具有高导热率,是PFM重要的候选材料之一.但碳材料在高温下易于氧化,其表面必须覆盖保护层进行保护。

2025/2/25材料物理学第1章-4973.梯度结构的生物医学材料

羟（基）磷灰石（Hydroxyaptite，HA）材料具有良好的生物活性，是当前普遍采用的骨替换材料，但由于本身的机械强度低以及脆性大而使其应用受到限制。研究表明，具有梯度孔隙结构的HA可兼顾生物性能与力学性能的需要,他们制备了孔隙大小和体积分数从表层至内层呈梯度变化的HA材料,其外层为大孔隙结构可使细胞和血管易于依附从而促进骨生长,而内层为致密结构可提高骨植入材料的机械稳定性。该梯度孔隙HA的弯曲强度比相同。材料物理学

第2章材料的表面与界面§2.1材料的表面§2.2材料的界面§2.3多晶材料中的晶界§2.4表面界面研究方法简介§2.1材料的表面2.1.1表面界面的定义：相与相的交界面称界面（InterfaceBoundary），通常将气相与凝聚相的交界面称为表面（Surface），凝聚相的交界区为界面，同相晶粒之间为晶界，异相晶粒之间为相界。1.表面的范围根据研究内容而定，是一个过渡区（若干Å至数

m）。

2.理想表面与实际表面（1）理想表面表面原子排列除上部无原子外与体内一样。（2）实际表面未清洁过的表面（Uncleanedsurface）；清洁表面（Cleanedsurface）；真空清洁表面。1.1.2清洁表面的的原子排布

为降低表面能，表面原子需重新排布。1.表面原子排列的调整a.弛豫，b.

重构，c.超结构。2.外来因素a.吸附，b.合金1.1.3实际表面1.表面外形和表面粗糙度2.表面的组织（1）晶粒尺寸的变化

（2）贝尔比层经抛光等机械加工后的金属的表面区的表面组成。3.表面的成分与性质表面杂质的偏析与耗尽为减少表面能产生平衡偏析与非平衡偏析偏析与耗尽往往会引起表面改性。表面对材料性能的主要影响有：表面硬度、耐蚀性、蠕变、附着力、焊接特性、表面扩散、固相反应和潜象。对电磁性能的影响为：表面态、界面态、陷阱和复合中心、表面电导、功函数、抗磁性和超导临界温度等。2.1.5表面在薄膜制备中的重要性表面是指基片（衬底）的表面状态。基片的作用：承载薄膜材料与作为外延衬底。淀积物在表面形成薄膜的过程是：吸附→成核→长大（二维或三维）。表面的缺陷与形貌会延伸到薄膜中。表面存在的应力也会影响薄膜的生长。表面的状态对薄膜的性质影响非常大。§2.2材料的界面

2.2.1界面的定义和种类相与相的交界面称界面（Boundary，Interface）。晶粒与晶粒间的交界区称晶粒间界（GrainBoundaryGB），又称晶界或粒界。对多相凝聚体系统，各相间的界面称相界（PhaseBoundaryPB）。有规则而可控的交界面（相界），称分界面（Interface）也有称内表面。2.2.2晶粒间界（GrainBoundaryGB）

1.堆层错和双晶（1）层错原子堆积时出现了错位晶界角:两晶粒交界面上原子排列相位上相差的角度。（1）小角度晶界（<10˚）（2）大角度晶界（>=10˚）大角度晶界的模型a.过冷液体模型b.小岛模型c.重合模型2.晶粒间界2.2.3相界

1.非共格相界两相结构不同或晶格常数差别很大时，交界区称非共格相界。2.共格相界当两相结构一样，晶格常数差别较小，通过晶格常数扩张与收缩，使得晶界两侧的原子排列按原晶格结构连贯地结合。3.准共格相界:晶格结构相同，但晶格常数差别较大，过渡区主要由失配位错组成

2.2.4分界面1.界面的结合力（1）范德瓦耳斯力电矩作用的长程力。

（2）机械锁定力表面的不平整交插而卡住。（3）表面过渡层引起的结合力金属-玻璃界面：氧化物过渡层。金属-金属界面：金属扩散、金属间化合物、金属互扩散。该结合力是一种化学键力的作用，强度通常大于前面两种。2.2.5界面在材料中的重要性

高技术新材料如金属间化合物，超晶格、多层膜和各种薄膜材料，纳米固体材料以及颗粒、晶须、纤维等增强金属基或增韧的陶瓷基复合材料中，由于界面的原子结构、化学成分不同于界面两侧体材料，而且在界面上很容易发生化学反应。所以界面的性质与界面两侧的体材料有很大差别，界面对材料的性能起着重要的作用，甚至有时能起控制作用。2.2.6界面特征与表征

1.界面的类型异质材料交界处的界面可能是由于不同材料的（1）扩散粘接（2）内氧化（或还原）（3）外延生长以及（4）多种多样的不同层次范围（纳米、微米）的复合方法而形成。由于材料的种类和制备工艺的差别，材料的界面可能有多种多样的形式，但从晶体结构的角度可把材料的界面分为：（1）具有相同（或不同）点阵常数的两种晶体之间的界面。（2）晶体和非晶体之间的界面。（3）两种非晶体之间的界面。除界面两侧物质的晶体结构外，还要考虑界面两侧的化学成分的变化。（4）微米与纳米界面。2.界面的观察与表征高空间分辨率的分析电子显微术，原子探针-场离子显微术、特别是扫描隧道显微镜原子力显微镜的发展与应用是一类表征界面的强有力的工具。通常将高分辨透射电子显微技术及其他表征技术联合使用，更可靠地确立材料界面的原子结构、物理和化学性质，进而能弄清界面特征与村料总体性能之间的关系．

2.2.7纳米界面及其界面效应当金属电极与电介质接触时,由于接触电势差，形成一空间电荷区。可从金属内原子距离扩展到电介质内约10-9m或到绝缘体内10-7m，形成一个纳米级的界面,并且恒定带电构成双电层。这一电荷分离层是电介质和金属电极间界面的特征,它在界面内产生的电场可高达103MV/m。

§2.3多晶材料中的晶界

2.3.1多晶材料中外来相的分布

多相系少数相通常分布在晶界（相界）处。由主相与外来相的表面能大小的不同而决定分布方式。

2.3.2多晶材料中晶界的性质1.低能晶界多晶材料中的晶界，大都是大角度晶界，原子排列的情况相当复杂，但晶界角不是随几分布。（平衡条件：自由能最低。）重合位座点阵匹配低能晶界。低能晶界过渡区中，两边原子的排列位置作少量调整，使两边原子排列达到逐步匹配。接近重合位座点阵匹配低能晶界。这种晶界过渡区，除两边原子作畸变外，还要形成一定数量的失配位错。

为了界面能的平衡。多晶材料中经常出现120度晶界（三晶粒交界）。2.晶界的结构

（1）晶界处的成分从总体上看，晶界处原子排列比较疏松，处于畸变状态，聚集着大量的位错，有较强的应力场，化学势也较低，所以各类杂质都有往晶界处集中的趋势，形成非平衡偏析，称晶界偏析，也称内吸附。

（2）晶界电荷离子晶体的结构单元带电，故晶界处存在电荷。

2.3.3金属与合金中的晶界金属键的电子是公有化的，所以金属的晶界比较薄，大概只有几个原子的宽度，晶界上有大量的位错、层错和点缺陷。

2.3.4陶瓷的晶界1.陶瓷晶界与金属合金晶界的主要区别：晶界上可能存在静电场、杂质在晶界的含量高、晶界处可能存在各种非化学计量化合物（Al2O3中存在AlO）、可能生成新的晶界相、陶瓷中点缺陷形成能很高（~7eV）。2.陶瓷晶界的特征特殊晶界由小角度晶界、重合位座（CSL）晶界和重合转轴方向（coincidenceaxisdirectionCAD）晶界等组成，这些都是低能晶界。一般晶界由接近重合晶界（nearcoincidenceGB）、失配位错等组成，能量略高于特殊晶界。（3）杂质在晶界的分布偏析浓度远大于晶粒内在晶界成粒状分布成连续分布形成晶界相2.3.5复合材料中界面形成形成复合材料的过程中基体组分间可能发生化学反应形成晶界相；功能相也可能与基体通过扩散形成界面相。通过物理作用、化学键、磨擦粘结或“钉扎”作用使界面固定下来。在很多场合，复合材料的界面先是形成的是固相-液相界面；经过固化过程才转化为固-固相结构。实际上复合材料界面的形成和存在都是在非平衡态下，所以研究的难度较大。1.复合材料需要弄清的一些内容界面析出相及其结构；界面区的厚度；界面区缺陷的类型与分布；界面处的应力；润湿性与界面能。人们对复合材料中的界面的重要性已得到广泛的关注，提出了界面工程。晶界工程就是获取理想的晶粒度、晶界相和晶界形貌的技术。即获取特殊功能（如高结合强度、规则的晶界势垒和杂质分布等）的同种（晶界）或异种（相界）的界面。通过对界面的研究（理论研究和计算机模拟）和认识，对界面微区进行优化设计使复合材料的性能进一步提高。§2.4表面界面研究方法简介

分析手段：由一些能谱技术、利用量子力学隧道效应、粒子衍射和显微技术等类型。能谱可以按照其物理过程，分为电子能谱、离子能谱、声子谱、光子谱、热脱附（原子）谱等等。能谱分析的基本思想是用一定能量的某种射线或粒子束（称一次束）去激发固体，产生出带有表面信息的射线或粒子束（称二次束）从这些粒子的信息来知悉表面的状态。2.4.1研究表面原子排列和形貌的主要方法

1.低能电子衍射（LEED）；2.表面敏感扩展X射线吸收精细结构(SEXAFS)；3.场离子显微镜(FIM)；4.电子显微镜(EM)。电子显微镜有透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）两种。

2.4.2扫描探针技术

扫描探针技术（ScanningProbeTechnical,SPT），由扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscopy,SPM）和扫描探针谱仪（ScanningProbeSpectroscopy,SPS）等组成。这种技术既能观察原子结构和电子状态，还能对表面原子进行操作。扫描探针（SPT）技术的共性是：通过探针与被分析的表面保持一定距离（Å～nm），检测各点与探针间的隧穿电流或原子间的作用力，从而获取表面信息。

2.4.3研究表面成分和化合态的方法

1.电子能谱

（1）光电子能谱（2）俄歇电子能谱（3）离子中和谱。2.离子谱

（1）离子散射谱a.低能离子散射谱b.高能离子散射谱（2）二次离子质谱（3）溅射中性粒子谱（4）致脱附离子角分布。2025/2/25129材料物理学第2章

一、表面和界面在材料中的作用材料的表面与界面是材料物理、化学性质性质发生突变的区域。诸多物理化学过程首先发生在表面；许多失效和破坏也首先发生在表面。表面（界面）是一个微区，它直接影响材料与器件的工作效率和寿命。1.表面界面的重要性2025/2/251302.表面在薄膜制备中的重要性表面是指基片（衬底）的表面状态。基片的作用：承载薄膜材料与作为外延衬底。淀积物在表面形成薄膜的过程是：吸附→成核→长大（二维或三维）。表面的状态对薄膜的性质影响非常大。2025/2/251313.对表面的要求

表面清洁、平整、有活性与薄膜有良好的附着性，热胀系数匹配，与薄膜间没有明显扩散。对外延衬底还要结构结构类似，晶格常数匹配。目前许多薄膜材料采用了多层结构。中间的不同膜层就是为了达到这些要求，也称软结构。对于薄膜的生长模式，表面界面能的相对大小也非常重要。从应用上淀积前表面处理是一个值得重视的工序。2025/2/251324.界面在复合材料中的作用表面当淀积材料后就成为界面。在复合材料中，材料的复合是通过界面直接接触实现的；因此界面的微观结构和性质将直接影响其结合力性质、粘合强度和复合材料的力学性能以及物理功能；为了增加纳米材料与聚合物的界面结合力,提高复合材料的性能,需要对纳米材料的表面进行改性。2025/2/251335.表面科学研究的主要内容研究表面各种现象包括：吸附、键合、反应、扩散、脱附、熔化、相转变、成核、生长、硬度，润滑磨擦等；表面结构：各种表面原子排列，表面成分，表面缺陷等；表面电磁性能：表面态、陷阱、表面空间电荷、表面电荷传输，散射，自旋波等。2025/2/25134二、表面工程与表面改性1.表面工程通过表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。表面工程的基本特征是综合、交叉、复合、优化。表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，它以“表面”为研究核心。2025/2/25135大多数材料的失稳始于其表面，因此只要在材料的表面制备出一定厚度的特种结构表层，改变表面组织和性能，达到表面优化，就能提高材料的整体性质。借助离子束、激光、等离子体等新技术，改变材料表面及近表面区的组分与结构，从而获得新薄层材料，比传统材料有更好功能。又称表面优化。表面工程的概念提出只有20余年的历史。2025/2/251362.表面改性的主要方法（1）薄膜涂层通过化学气相淀积（CVD）和物理气相淀积，在衬底表面镀一层硬质或耐磨或其它功能材料。这种方法是利用其他相材料在表面的涂复而改性。2025/2/25137（2）高能粒子束表面改性离子束、激光、电子束。利用高能量粒子或脉冲能束作用材料表面时，大量的能量在短期内被聚积在材料的表面薄层中，被加热层的温度迅速升高，以至发生熔化、汽化等现象。由热膨胀引起的动态应力也会在整个表面区中产生强烈的作用。当停止输入能量后，材料表面急冷却，致使材料表面具有常规方法难以达到的物理、化学性质。2025/2/251383.离子束技术（1）离子注入材料表面改性（2）等离子体源离子注入（3）离子束沉积一次离子束沉积

二次离子束沉积，或叫离子束溅射沉积（4）离子束增强沉积

将离子注入和薄膜沉积两者融合为一体的材料表面改性新技术。离子束增强沉积技术可以提高膜与基体间的附着力，改善膜的耐蚀性和耐用磨性，并能改变膜的应力提高光学磁学性质。2025/2/251394.激光表面改性激光表面改性始于20世纪80年代，其技术决定于3个因素：激光类型、激光应用方式及所处理材料的种类。（1）激光表面热处理激光使表面升温，达到退火和回火的目的。（2）激光熔化处理熔化后快速冷却，会产生非晶层或纳米结构2025/2/25140激光辐照后将材料表面加热到熔点以上，并在表面形成熔区（熔池）在光束停止辐照后，熔体快速凝固导致材料表面组织和性能发生改变的种工艺。（1）激光熔凝（2）激光非晶化（3）激光熔覆（4）激光表面合金化2025/2/251415.强电子束近年发展的表面改性方法，是一种强流脉冲电子束。电压10keV~40keV，电流102~104A/cm2，脉冲时间10-4~10-6s。由于不受材料表面光学性质的影响，能量吸收高（可达90%左右）通过磁透镜可以调节电子束截面形状及能量分布。可以在几微米的表面区对材料进行改性。2025/2/25142三、纳米表面工程1.纳米表面工程的内涵纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段,对固体表面进行强化、改性、超精细加工,或赋予表面新功能的系统工程。纳米表面工程是在纳米科技产生和发展的背景下，对固体表面性能、功能和加工精度要求越来越高的条件下产生的。

2025/2/251432.实现纳米表面的方法

实现纳米表面工程的关键是使材料得到具有纳米特征的表面层。目前，实现的方法主要有三种：.表面气相沉积法、表面自身纳米化法和表面纳米涂覆法，如右图所示。2025/2/25144（1）纳米热喷涂技术可用超音速火焰喷涂(HVOF)、高速电弧喷涂、气体爆燃式喷涂、电熔爆炸喷涂、超音速等离子喷涂和真空等离子喷涂等。纳米热喷涂技术就是以现有热喷涂技术为基础，通过喷涂纳米材料而得到纳米涂层。可获得高密度高强度的表面。2025/2/25145（2）纳米电镀技术纳米电镀就是在镀液中添加了特种纳米颗粒的新型合电刷镀技术。纳米电镀复合涂层可显著提高材抖的摩擦学性能、耐高温磨损及抗接触疲劳性能。在快速镍镀层中添加经改性处理的纳米A1203,SiC和金刚石粉后，纳米电镀层的硬度是不含纳米颗粒电刷镀层的1.5~1.7倍，耐磨性是1.6~2.5倍，抗接触疲劳寿命由105周次提高到108周次，工作温度由200°C提高到400°C。2025/2/25146

图3a,b,c分别是普通快镍镀层表面形貌和添加了纳米三氧化二铝颗粒的镍基复合镀层表面形貌及复合镀层的透射组织，可见A1203颗粒在镀层表面的弥散沉积，阻碍了基相镍金属的连续生长，从而使纳米镀层组织更细小，表面更光洁平整。2025/2/25147（3）纳米粘接技术将特殊功能纳米颗粒和常规填料(如石墨、二硫化铝、陶瓷粉末等)与高分子聚合物相混合并涂敷于零件表面获得特定用途(如耐磨、抗蚀等)的一种表面工程技术含纳米金刚石的胶粘剂具有优异的耐磨性和很高的胶接强度，耐磨性和胶接强度随着纳米金刚石粉在胶粘剂中加入量的增加而增加，当加入量为8%时，耐磨性是未添加的2.2倍，拉伸强度可达50MPa，比未添加的提高27.5%。2025/2/25148（4）金属表面自身纳米化技术可以通过不同方法实现金属表面纳米晶化。例如，应用超声冲子冲击工艺，可在Fe或不锈钢表面获得晶粒平均尺寸为1020nm的表面层。超声冲子冲击450s后纯Fe表面层的显微组织形成了结晶位向为任意取向的纳米晶相，晶粒平均尺寸为10nm而Fe的原始晶粒尺寸约为50

m。此技术可以在复杂形状零部件表面获得纳米晶表面层。2025/2/251493.当前纳米表面改性研究主要领域纳米薄膜和迭层膜的制备，它使薄膜的电学性能、磁学性能、光电性能等成倍提高；

金属或非金属的纳米级颗粒应用到热喷涂、电刷镀、化学镀、粘结、润滑、固体干膜、涂装等各种传统、常用的表面技术中。尽管纳米表面工程已得到初步发展，离成熟化、产业化却还有相当大的差距，仍有许多问题有待解决。2025/2/25150四、纳米颗粒的表面修饰近年来,纳米微粒的表面修饰已形成了一个研究领域。通过对纳米微粒表面的修饰,可以达到（1）改善或改变纳米粒子的分散性;（2）提高微粒表面活性;（3）使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能;（4）改善纳米粒子与其它物质之间的相容性。2025/2/25151纳米微粒表面修饰的方法纳米微粒表面修饰的方法按其修饰原理可分为表面物理修饰和表面化学修饰两大类。1.表面物理修饰法表面物理修饰总的来说就是通过吸附、涂敷、包覆等物理作用对微粒进行表面改性,利用紫外线、等离子射线等对粒子进行表面改性也属于物理修饰。表面物理修饰主要有以下2种方法:2025/2