上海大现代表面工程技术课件02表面科学的某些概念和理论

第二章

表面科学的某些基本概念和理论第一节固体材料及其表面一、固体材料固体材料是工程技术中最普遍使用的材料。它的分类方法很多。例如按照材料特性，可将它分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三类。金属材料包括各种纯金属及其合金。塑料、合成橡胶、合成纤维等称为有机高分子材料。还有许多材料，如陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等，既不是金属材料，又不是有机高分子材料，人们统称它们为无机非金属材料。此外，人们还发展了一系列将两种或两种以上的材料通过特殊方法结合起来而构成的复合材料。固体材料按所起的作用可分为结构材料和功能材料两大类。结构材料是以力学性能为主的工程材料，主要用来制造工程建筑中的构件，机械装备中的零件以及工具、模具等。功能材料功能材料是利用物质的各种物理和化学特性及其对外界环境敏感的反应，实现各种信息处理和能量转换的材料（有时也包括具有特殊力学性能的材料）。这类材料常用来制造各种装备中具有独特功能的核心部件。二、材料表面物质存在的某种状态或结构，通常称为某一相。严格地说，相是系统中均匀的、与其他部分有界面分开的部分。所谓均匀的，是指这部分的成分和性质从给定范围或宏观来说是相同的，或是以一种连续的方式变化，也就是没有突然的变化。在一定温度和压力下，含有多个相的系统为复相系。两种不同相之间的交界区称为界面。固体材料的界面有三种：（l）表面——固体材料与气体或液体的分界面。（2）晶界（或亚晶界）——多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。（3）相界——固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。我们研究的对象是表面。对于固体材料与气体界面，又有两种不同的对象：（1）清洁表面（2）实际表面清洁表面清洁表面——经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在10－6Pa－10－9Pa超高真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面。实际表面实际表面——暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。第二节表面晶体学固体材料通常以晶态和非晶态形式存在于自然界。这里主要以晶态物质来介绍表面结构。一、理想表面结构理想表面是一种理论的结构完整的二维点阵平面。这里忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，也忽略表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象，又忽略表面外界环境的作用等，因而把晶体的解理面认为是理想表面。1．二维晶格的周期性与对称性二维点阵除了平移群和点移群两种基本对称操作外，还存在镜像滑移群。二维点阵中存在10种点群镜像滑移群与点群结合，共得到17种二维对移群，如表2-2所示。2．晶列与晶列指数3．二维倒易格子二、清洁表面结构

1．清洁表面的一般情况依热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态，达到这种稳定态的方式有两种：一是自行调整，原子排队列情况与材料内部明显不同；二是依靠表面成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及两者的相互作用而趋向稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。表2-3几种清洁表面的结构和特点晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经过4～6个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原层子范围。晶体表面的缺陷：平台、台阶、扭折、表面吸附、表面空位、位错。各种材料表面上的点缺陷类型和浓度都依一定条件而定，最为普遍的是吸附。TLK模型单晶表面的TLK模型已被低能电子衍射（LEED）等表面分析结果所证实2．表面弛豫：

表面上原子相对于正常位置的位移。晶体的三维周期性在表面处突然中断，表面上原子的配位情况发生变化，并且表面原子附近的电荷分布也有改变，使表面原子所处的力场与体内原子不同，因此表面上的原子会发生相对于正常位置的上下位移以降低体系的能量。表面驰豫的最明显处是表面第一层原子与第二层之间距离的变化，越深入体相，弛豫效应越弱，并且是迅速消失。3．表面重构在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整，这种表面结构称为重构（或再构）。R（hkl）－p×q－D式中R表示基底材料的符号；（hkl）为基底平面的密勒指数；D是表面覆盖层或沉积物质的符号。P、q为整数，即表面晶格基矢与基底晶格的基矢平行，但长度不等。通用表面晶格的矩阵表示：4.表面台阶结构（清洁表面的台阶结构）台阶结构表示为：R（S）-[m(hkl)×n(h’k’l’)]-[uvw]式中R表示台阶表面的组成元素；（S）为台阶结构；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；（h’k’l’）为台阶侧面的晶面指数；[uvw]为平台与台阶相交的原子列方向。三、实际表面结构（一）实际表面的一般情况1．表面粗糙度从宏观看，经过切削、研磨、抛光的固体表面似乎很平整，然而从微观角度观察会发现表面有明显的起伏、同时不可能有裂缝、空洞等。（1）

轮廓算术平均偏差：Ra（2）

微观不平度+点高度：Rz（3）

轮廓最大高度：Ry2．贝尔比层和残余应力固体材料经过切削加工后，在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，既造成一定程度的日格畸变。这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的，约5nm-10nm厚度可能会形成一种非晶态层。这层非晶态称为贝尔比层。其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。贝尔比层具有效高的耐磨性和耐蚀性。材料经各种加工、处理后普遍存在残余应力。残余应力按其作用范围分为：宏观内应力和微观内应力两类。残余应力