固体的表面及其结构62页PPT

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1. 理想表面
指理论上结构完整的二维点阵平面，忽略了 晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽 略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽 略了外界对表面的物理化学作用等。这种理想表 面作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其结 构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。
没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表 面理想为一个理想表面。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
4. 固体表面能和表面张力
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表面能：增加表面单位面积体系自由能的增量 （J/m2 ）
表面张力：扩张表面单位长度所需要的力（N/m） 表面能与表面张力的单位为等因次。
（J/m2＝N·m/m2＝N/m）
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
as
a
d0 d0
重构表面示意图
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
3. 吸附表面
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吸附表面有时也称界面。它是在清洁表面上有
来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸
附在表面上的质点所构成的表面。
根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为： 顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附四种吸附情 况。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
5.1.1 固体的表面
1. 理想表面 2. 清洁表面
（1）台阶表面 （2）弛豫表面 （3）重构表面 3. 吸附表面 4. 固体表面能和表面张力 5. 表面偏析 6. 表面力场
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第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
由于固相的三维周期性在固体表面处突移，称为表面弛豫。
0.1A
0.35A
弛豫表面示意图
LiF(001)弛豫 表面示意图， ·Li 〇 F
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
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（3）重构表面
指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体 内，但垂直方向的层间距则与体内相同。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
4. 固体界面能和界面张力
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界面能：增加界面单位面积体系自由能的增量 （J/m2 ）
界面张力：扩张界面单位长度所需要的力（N/m） 界面能与界面张力的单位为等因次。
（J/m2＝N·m/m2＝N/m）
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
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固体的表面能和表面张力的特点 与液体相比： （1）固体表面能中包含了弹性能，表面张力在数值 上不等于表面能； （2）固体表面张力为各向异性； （3）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决 定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以 及它所经历的历史； （4）固体表面能和表面张力的测定非常困难。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
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第五章 固体的表面与界面
5.1 固体的表面及其结构 5.2 界面行为 5.3 粘土－水系统
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
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5.1 固体的表面及其结构
5.1.1 固体的表面 5.1.2 固体的表面结构
固体的表面及其结构
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第五章 固体的表面与界面
固体的界面界面分类
1）表面：固体与真空之间交界面。 2）界面：相邻两结晶空间之间交界面。 3）相界面：相邻相之间交界面，有三类：固－固相界面 （S／S）；固－气相界面（S／V）；固－液相界面（S／ L）。
本章主要从物理化学的角度介绍固体表面结构、性质 及界面行为。
注意：
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界面能（或界面张力）<<两表面的表面能（或 表面张力）之和
两相之间总存在一定的相互作用能； 当两相化学组成或结构相近时，其相互作用能
越明显，则界面能（或界面张力）越小，形成 的界面越稳定。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
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第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
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理想表面结构示意图
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
2. 清洁表面
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指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等 物理化学效应的表面，其化学组成与体内相同， 但周期结构可以不同于体内。根据表面原子的排 列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重 构表面等。
固体表面吸附，就是固体表面力场和被吸引质点力 场相互作用的结果。
依性质不同，表面力可分为：
（1）化学力 （2）分子引力
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
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（1）化学力：本质上是静电力
来自表面质点的不饱和价键，并可用表面 能数值来估计，是固体表面产生化学吸附的主 要原因。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
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（1）台阶表面
由有规则的或不规则的台阶的表面所组成，因 而不是一个平面。
[110] [112]
[111]
周期
Pt（557）有序原子台阶表面示意图
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
（2） 弛豫表面
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➢ 常见情况是介于二者之间，即在吸附剂和吸附物之间 形成共有电子，且常为不对称 对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化作用。
吸附剂（固体表面：具有吸附作用）＋吸附物（被吸附分子）
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
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➢ 吸附剂将其电子完全给予吸附物，使吸附物变成负离 子，如吸附于大多数金属表面上的氧气
➢ 吸附物把其电子完全给予吸附剂，而变成吸附在固体 表面上的正离子，如吸附在钨上的钠蒸气
5. 表面偏析 不论表面进行多么严格的清洁处理，总有
一些杂质由体内偏析到表面上来，从而使固体 表面组成与体内不同，称为表面偏析。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
6. 表面力场
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固体表面由于质点排列的周期重复性中断，使处于 表面边界上的质点力场对称性破坏，从而表现的剩余键 力，称为固体表面力。