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材料表面与界面 Surface and Interface of Materials 2013 参考书目 1、孙大明等编著，固体的表面与界面，安徽教育出版社，1996 2、朱履冰等编著，表面与界面物理，天津大学出版社，1992 3、胡福增编，材料表面与界面，华东理工大学出版社，2008 4、许并社编，材料界面的物理与化学，化学工业出版社，2006 5、曹立礼著，材料表面科学（第2版），清华大学出版社，2009 6、闻立时著，固体材料界面研究的物理基础，科学出版社，2011 课程要求 教学方式：讲授+研讨 时间分配：60%+40% 考察方式：考试60%+研讨和报告40% Introduction 材料表界面对材料科学中的重要性； 表界面的定义； 表界面的分类； 物理表面； 清洁表面； 材料表界面对材料科学的重要性 材料的表界面对材料整体性能具有决定性的影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切相关，因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。 表界面的定义 表界面是由一个相过渡到另一相的过渡区域。 习惯上把固－气、液－气的过渡区域称为表面，而把固－液、液－液、固－固的过渡区域称为界面。 表界面的分类 根据物质的聚集态，表界面通常可以分为以下五类： 固－气； 液－气； 固－液； 液－液； 固－固； 1 Gas-Liquid Interface 2 Gas-Solid Interface 3 Liquid-Liquid Interface 4 Liquid-Solid Interface 5 Solid-Solid Interface 1 表面与界面的结构 1.1.1 理想表面 1.1.2 清洁表面 1.1.3 吸附表面 获得清洁表面的几种方法: 在获得超高真空的同时获得清洁的表面。 用简单的加热方法去除表面的沾污。 在化学气氛中加热去除那些通过简单加热不能清除的化学吸附沾污。 对于较顽固的沾污，可以利用惰性气体离子（如Ar+、Ne+）轰击表面而有效地清除污染。 对于一些晶体，可以采用沿特定的晶面自然解理而得到清洁表面。 在适当的基片上通过真空蒸发法获得预想的单晶和多晶薄膜，作为研究对象的清洁表面。 需要高真空度的理由： 根据气体分子运动论，当气压为P（乇，1 乇 = 133 Pa = 1 mmHg ）、温度为T（K）情况下，每秒钟同单位面积表面相碰撞的气体分子个数为N。N=289×1022P(MT)-1/2 [cm2·s-1] ，其中M是气体分子量。 当真空度达到10-6 乇 （10-3Pa）左右，以氮气为例，在室温下，每秒大约有3×1014 个气体分子同 1 cm2 的表面相碰撞，考虑固体表面一个单原子层上的原子数，每平方厘米大约有1015 个 原子（原子间距以0.3 nm计），如果和表面相碰撞的氮气分子全部被吸附于表面，则每隔 3 秒钟就将形成一个单原子层覆盖于表面之上。 所谓超高真空（UHV）都是在10-9（乇）以下。若在室温，真空度为10-10（乇）的系统中，每秒只有3.8×1010 个气体分子和1 cm2 表面相碰撞。此时在表面形成一个覆盖气体分子层则需要大约 8 h 的时间。在这个状况条件下气体分子的平均自由程大约是50,000km。 在原子清洁的表面上可以发生多种与体内不同的结构和成分变化，如弛豫、重构、台阶化、偏析和吸附等，如图1-1所示。 弛豫 表面区原子（或离子）间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞结构基本不变，这种情况称为弛豫。 离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库伦静电力，这是一种长程作用。 弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向，因此，一般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对称性发生了变化。 表面弛豫后常会存在电矩（电偶极子）。 1.2 固体的界面 界面：两相之间的接触面。如相界面、内界面、晶界等。 界面类型 从晶体学角度： 平移界面 孪晶界面 反演界面 从实用角度： 气固界面 半导体界面 薄膜界面 超晶格界面 界面类型 1.2.1 平移界面 在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量 。其间的界面称为平移界面。 A.P.B SF A.P.B --- 等于点阵矢量，称反相界面； SF --- 不等于点阵矢量，称层错。 * * 1.1 物理表面 1.1.1 理想表面 d 内部 表面 理想表面示意图 理论上结构完整的二维点阵平面。 理论前提： 1、不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响； 2、不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等； 3、不考虑外界对表面的物理-化学作用等； 4、认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位