材料科学基础05-固体的表面与界面

1、固体的表面和界面，固体的接触界面一般可以分为表面、界面和相界面。1)表面：表面表示固体(三维结构)和真空的接口。2)接口：旁边的两个结晶空间的交叉接口称为“接口”。界面不只是指几何子界面，而是指具有不同于其两侧矩阵的特殊属性的薄层。物体的界面原子和内部原子受到的作用力不同，能量状态也不同。这就是所有接口现象存在的原因。2，高倍率电子显微镜下PTFE表面结构，3，CVD氧化铝涂层剖面，氧化铝涂层表面，1m，晶界的显微照片，晶界的高分辨率tem，ni 0.76al 0.24:5ppm b的焚化晶界(梯度7)，相位接口有三种类型的：固相和固相接口(ss)。固相和气象之间的拓扑接口(SV)；固相和液相

2、之间的相接口(sL)。液-液界面、液-固界面、固-固界面、固-固界面是固体的缺陷，具有自身的结构、化学成分和理化特性。这种缺陷是二维的，以分布在物质上的几何特征来区别于其他晶体缺陷，如电势和空位。9，晶体材料具有许多介面，例如(外部)曲面(surface)和内部介面(interface)。界面通常与晶体内部的原子阵列或化学成分不同，在三维空间中一个方向以较小的大小出现，或在其他两个方向以较大的大小出现，因此它由多个称为面缺陷的原子层厚度区域组成。表面缺陷(二维缺陷)，表面表示固体物质和气体或液体的子界面；内部界面包括“继承”(grain boundaries)、“补间”(twin bounda

3、ries)、“子边界”(sub-boundaries)、“相位”(phase boundaries)和“层错误”界面的存在对晶体的机械、物理、化学等特性有重要影响。界面现象的本质，对于一元体系来说，这种特性主要来自不同阶段同一物质的密度不同；对于多组件系统，属性与接口层的配置和所有阶段的配置不同。表面层分子与内部分子相比，位于不同的环境中。与体内分子相邻的同一分子的作用力是对称的，所有方向的力相互抵消；但是阶层中的分子，一方面在体内受到相同物质分子的作用，另一方面在不同性质的不同上层受到物质分子的作用，其作用力必然不能相互抵消，因此阶层表现出一些独特的特性。第一节固体表面及其结构第二节界面和界

4、面行为润湿和吸附，粘合，本章重点介绍了界面、固体表面分类和结构，固体表面力场重点确定润湿类型(附着、浸渍和扩散润湿)，Young方程，接触角度润湿应用吸附，粘合，固体表面的特性，固体表面的不均匀性等表达：(1)固体表面不均匀，即使宏观上看起来再光滑，原子水平表面的凹凸度，(2)固体中晶体晶面的不均匀性：各向异性，不完全性，(3)表面被异物污染，外来杂质吸附，(4)同种晶体由于制备和处理条件的不同，表面特性不同，实际晶体的晶面不完整，固体面称为晶体三周期结构和真空之间的过渡区域。固体表面，固体表面，理想表面清洁表面(1)台阶表面(2)平滑表面(3)表面吸附表面重建，1，理想表面无杂质的单晶，0步

5、近似将清洁表面定义为理想表面。这是理论上具有完整结构的二维晶格平面。忽略晶体表面的晶体内部周期势场中断的影响，忽略表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略外部世界对表面的物理化学作用等。这个理想的表面是半无限的晶体，原子在体内的位置及其结构的周期性，和原来无限的晶体一样。(图2理想表面结构图)，图2理想表面结构图，d，2，清洁表面清洁表面是没有吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效果的表面。这种干净表面的化学成分在体内是相同的，但周期结构在体内可能不同。真实干净曲面和理想曲面之间的主要区别如下：缓解表面结构；重建曲面结构；表面双层。根据表面原子的排列，干净的表面可以分为楼梯表面、松弛表面、重构表

6、面等。图3 Pt(557)有序原子阶跃曲面图，(1)阶跃曲面阶跃曲面不是直线，由规则或不规则阶跃曲面组成。c)Ge(111)曲面模型原子垂直压缩值1为0，2，3为0.22，4为0.46，5为0.15。图4台阶表面的不同压缩形式，(a)均匀压缩，(b)边界原子压缩，图5平滑表面图，(2)平滑表面由于固体上的三维周期性而突然从固体表面断裂，表面上的原子相对于正常位置的上下位移称为表面松弛。图6 LiF(001)平滑曲面图，LiF，d，图7重建曲面图，(3)重建曲面原子层的水平周期与体内不同，但垂直方向的层间距与体内相同。表面结构和身体结构本质上是不同的。22.晶体表面都具有与晶体内部不同的成分和结

7、构，通常必须通过大约46个原子层，才能与体内几乎相似，因此晶体表面实际上只有几个原子层的范围。另一方面，晶体表面的最外层不是原子水平的平面。这种熵小，原子排列有所调整，但自由能仍然很高，因此清洁表面必然有多种类型的表面缺陷。23、几种清洁表面结构和特性，3、吸附表面吸附表面有时称为界面。它是由在干净的表面上从体内扩散到表面的杂质和在表面周围空间中吸附到表面上的粒子组成的表面。根据原子在基板上的吸附位置，一般可分为四种吸附情况：顶部吸附、桥梁吸附、填充吸附、中心吸附。a)顶部吸附平面b)桥梁吸附平面c)填充吸附平面，a)顶部吸附轮廓b)桥梁吸附轮廓d)中心吸附平面8个典型吸附表面，立方晶体(11

8、1)解析面的多个吸附位置。26、实际表面是我们通常接触的表面，与干净的表面相比，有几个重要的特征：表面粗糙度：切割、研磨、抛光的固体表面看起来平坦，但通过电子显微镜观察，可以看到表面有明显的起伏，同时也有裂缝或空洞等。拜耳比层：固体材料经过切削后，在几微米或10多微米的表面上形成了急剧的组织结构，在表面大约10nm的深度上形成了非晶薄层。曲面上有很多活动晶格点。由于磨削使加工表面的一部分扭曲变形，因此该表面通常比电解抛光或低温退火预处理表面更活跃。残余应力：除加工后生成拜耳贝层的表面外，还存在多种残余应力，根据其作用范围大小，可分为宏观内部应力和微观内部应力，27，金属材料在工业环境中污染的实

9、际表面图，4，固体表面自由能和表面张力与液体相比：1)固体表面自由能包含弹性能。表面张力在数值上不等于表面自由能。2)固体的表面张力是各向异性的。(3)实际固体表面的绝大多数是不平衡的，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件和它所经历的历史。4)很难测量固体的表面自由能和表面张力。5 .固体表面力场，在晶体中每个粒子周围的力场存在的晶体内，粒子力场对称。但是，在固体表面上，粒子阵列的周期性重复性被打断，表面边界上粒子力场的对称性被破坏，剩下的结合力被称为表面力。这剩下的结合力是吸附或附着的原因。面体表面的吸力是由固体表面力场和吸引粒子的力场之间的相互作用而产生的，这种相互作用力称为固体表

10、面作用力。根据特性，固体表面力为，(2)半德尔化力(分子重力)，(1)化学力(远距离力)，(1)化学力：本质上是静电力。固体吸附剂使用表面粒子的不饱和原子价键将吸附物吸附到表面后，吸附剂可以将电子完全赋予吸附物，使吸附物成为负离子(例如，吸附到大部分金属表面的氧)。或者，吸附物将电子完全赋予吸附剂，并转化为吸附在固体表面的阳离子(例如，吸附在钨上的钠蒸汽)。在大多数情况下，吸附在固体吸附剂和吸附剂之间共享电子，并且经常不对称。对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化作用。31，晶格对离子晶体物理性质的影响，(2)分子重力，(van der Walls)力，一般指固体表面和吸附粒子(如气体分子)

11、之间的相互作用力。主要发生在定向作用力FK(静态功率):极性分子之间的诱导作用力FD:极性和非极性分子之间。分散力FL(分散力):发生在非极性分子之间。对于不同的物质，上述三种作用是不均等的。例如，对于非极性分子，定向作用和诱导作用很小，可以忽略，主要是分散作用。f风扇FKFDFL 1/r7、固体表面结构、1、晶体表面结构2、粉末表面结构3、玻璃表面结构4、固体表面的几何结构、表面力的作用：液体：始终努力形成球形表面，以减少系统的表面能量。固体：使固体表面进入高能量状态(因为固体不能流动)，只能通过离子极化、变形、重排和晶格扭曲减少表面能量，结果固体表面层和内部结构存在差异。1，晶体表面结构，

12、固体表面力作用下晶体表面结构如何变化？受哪些因素影响？1，晶体表面结构表面力的存在使固体表面进入高能状态。但是，系统总是以多种方式减少这部分的过剩能量，从而导致曲面粒子的极化、变形、重排和原始晶格的扭曲。威耳等基于晶体化学原理研究了晶体表面结构，思考了晶体颗粒之间的相互作用，结合力作为影响表面结构的重要因素，提出了晶体的表面双层模型，如图9、10所示。表面能量减少，NaCl晶体，图9离子晶体表面的电子云变形和离子重排，表面离子由内部离子作用的电子云变形，离子重排，图10 NaCl表面层的Na方向；Cl-向外移动以形成双层，晶体内部，晶体表面，PbF2次数(900 glcm 2)；CaF2最大值

13、(2500glcm 2)，离子极化性能越大，双层厚度越厚，表面能量越低。2，粉末表面结构粉末：微固体微材料集合体大小，表面材料工艺中的原料加工成有利于成型和烧结的细颗粒。粉末准备：反复粉碎，形成一系列新表面，离子极化变形重排扭曲的有序性降低，粒子的微观细化在表面增加，不规则性增加，向纵向深度发展，不影响内部结构表面层的无定形结构和非常小的微晶结构的玻璃表面结构。在熔体转换为玻璃体的过程中，为了保持最小的表面能量，玻璃表面的每个成分根据对表面自由能的贡献自发地移动和扩散。在玻璃成型及退火中，碱、氟等挥发性成分在表面挥发。玻璃中的极化离子可能影响表面结构和特性。此差异表现在表面的折射率、化学稳定性

14、、结晶倾向和强度等方面。3、玻璃表面结构、表面张力的存在与玻璃表面组成和内部明显不同，固体实际表面不规则、粗糙不平(1)厚度不同的台阶(2)阶段部分吸附在一系列断裂(3)数量较少的原子晶体和阶段表面上。这些不同的几何状态也会影响表面特性，例如润湿、多孔和孔结构、透气性和渗透性。最重要的是表面粗糙度和微裂纹。固体表面的几何结构，(1)其他晶体表面的原子密度不同，(11，面中心立方(100)，(110)，(111)在三个低指数表面上的原子分布，晶面，表面原子密度和相邻原子数：使表面力场不均匀直接影响固体表面积、内部、外部表面积比和相关属性。与两种材料之间的密封和粘结界面之间的啮合和粘结强度有关。(

15、2)结晶缺陷或外力对表面粗糙度的影响。微裂纹也极大地影响表面特性，对脆性材料的强度尤其重要。脆性材料的理论强度大约是实际强度的几百倍，因为固体表面存在的微裂纹起到了应力乘数的作用，使裂纹尖端的实际应力大于施加的应力。Griffath (griffath)确立了玻璃断裂理论，推导了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系，r为断裂强度，c为微裂纹长度，e为弹性系数，表面自由能。表面微裂纹，第二节固体接口，接口：相邻两个结晶空间的交叉接口称为“接口”。界面不只是指几何子界面，而是指具有不同于其两侧矩阵的特殊属性的薄层。物体的界面原子和内部原子受到的作用力不同，能量状态也不同，这是所有界面现象都存在的原因

16、。阶层的分子自由能比内部大，这种过剩的自由能被称为界面自由能，即界面能量。单位接口区域中的接口可能大于增加单位接口区域所需的任务：接口能量。从结晶学角度来看，界面可以分为三种类型：从实际应用到气固界面、半导体界面、薄膜界面、超晶格界面等。47，晶界的形成和作用，固体相变，晶核首先在晶界形成和生长。随着晶体的生长，相界面与其他晶体的相界面相遇，形成新的稳定晶界。晶界配位错误，磁畴壁，铁电畴壁等具有钉扎效果。在晶界，由于能量和应力高，裂纹(cracks)往往从晶界开始，膨胀，然后断裂。杂质在晶界容易扩散。晶界是结构相同、方向不同的晶体之间的界面。晶体界面上的原子排列从一个方向向另一个方向移动，因此在晶界中，原子排列处于过渡状态。粒子和粒子之间的接触界面称为晶界。晶界分类，(1)根据两个晶界之间的角度