第五章 表面结构与性质分析
固体的表面及其结构
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。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
资源加工与生物工程学院
（2）分子引力，也称范德华（van der Walls）力 是固体表面产生物理吸附和气体凝聚的主要原因， 主要来源于三种效应： （1）定向作用：主要发生在极性分子（离子）之间， 也称葛生力（Keesen force）； （2）诱导作用：主要发生在极性分子与非极性分子之 间，也称德拜力（Debye force）； （3）分（色）散作用：主要发生在非极性分子之间， 也称伦敦力（London force）。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
资源加工与生物工程学院
2. 粉体表面结构
粉体制备过程中由于反复破碎，不断形成新表面，表面
层离子极化变形和重排使表面晶格畸变，有序性降低；
随粒子微细化、比表面增大，表面结构有序程度受到愈
来愈强烈的扰乱并不断向颗粒深部扩展，最后使粉体表
面结构趋于无定形化。 两种不同的模型： 无定形结构； 粒度极小的微晶结构
1. 晶体表面结构
2. 粉体表面结构 3. 玻璃表面结构 4. 固体表面的几何结构
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
资源加工与生物工程学院
1. 晶体表面结构
（1）真空状态下晶体表面结构特点 a. 真空状态下，无杂质、气体等吸附作用，是纯粹
质点表面力场作用；
b. 固体质点只能通过表面层质点极化、变形、位移、 重排来降低一部分表面能；
况。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
武汉理工大学考研材料科学基础重点 第5章-表面结构与性质
第四章固体的表面与界面固体的接触界面可一般可分为表面、界面和相界面：1）表面:表面是指固体与真空的界面。
2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。
3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。
有三类: S／S；S／V； S／L。
产生表面现象的根本原因在于材料表面质点排列不同于材料内部，材料表面处于高能量状态⏹ 4.1 固体的表面及其结构♦ 4.1.1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. 固体的表面自由能和表面张力5. 表面偏析6. 表面力场固体表面的结构和性质在很多方面都与体内完全不同。
所以，一般将固体表面称为晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。
这种表面实际上是理想表面，此外还有清洁表面、吸附表面等。
1、理想表面没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面理想为一个理想表面。
这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
它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。
2、清洁表面清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。
这种清洁表面的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。
（1）台阶表面台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成（2）弛豫表面 –在垂直于表面的方向上原子间距不同于该方向上晶格内部原子间距的表面由于固体体相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子的配位情况发生变化，相应地表面原子附近的电荷分布将有所改变，表面原子所处的力场与体相内原子也不相同。
为使体系能量尽可能降低，表面上的原子常常会产生相对于正常位置的上、下位移，结果表面相中原子层的间距偏离体相内原子层的间距，产生压缩或膨胀。
武汉理工大学考研材料科学基础重点 第5章-表面结构与性质
第四章固体的表面与界面固体的接触界面可一般可分为表面、界面和相界面：1）表面:表面是指固体与真空的界面。
2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。
3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。
有三类: S／S；S／V； S／L。
产生表面现象的根本原因在于材料表面质点排列不同于材料内部，材料表面处于高能量状态⏹ 4.1 固体的表面及其结构♦ 4.1.1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. 固体的表面自由能和表面张力5. 表面偏析6. 表面力场固体表面的结构和性质在很多方面都与体内完全不同。
所以，一般将固体表面称为晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。
这种表面实际上是理想表面，此外还有清洁表面、吸附表面等。
1、理想表面没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面理想为一个理想表面。
这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
它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。
2、清洁表面清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。
这种清洁表面的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。
（1）台阶表面台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成（2）弛豫表面 –在垂直于表面的方向上原子间距不同于该方向上晶格内部原子间距的表面由于固体体相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子的配位情况发生变化，相应地表面原子附近的电荷分布将有所改变，表面原子所处的力场与体相内原子也不相同。
为使体系能量尽可能降低，表面上的原子常常会产生相对于正常位置的上、下位移，结果表面相中原子层的间距偏离体相内原子层的间距，产生压缩或膨胀。
原子力显微镜技术解析材料表面结构与性质之间的关系
原子力显微镜技术解析材料表面结构与性质之间的关系摘要：材料的性质与其表面结构的关系一直以来都是材料科学领域的一个重要研究方向。
随着科学技术的发展，原子力显微镜技术成为研究材料表面结构的重要工具。
本文将对原子力显微镜技术进行解析，以及其在研究材料表面结构与性质之间的关系方面的应用，并探讨其未来的发展方向。
第一部分：原子力显微镜技术的原理和工作方式原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种基于扫描探针原理的纳米尺度测量技术。
其工作原理基于悬臂悬挂的探针缓慢接近样品表面，通过测量探针与样品表面的相互作用力，得到样品表面的拓扑特征。
AFM技术具有高分辨率、强大的力测量能力和多种工作模式等特点，被广泛应用于材料科学研究领域。
第二部分：原子力显微镜技术在表面结构研究中的应用2.1 表面形貌和粗糙度研究原子力显微镜可以实时扫描样品表面的形貌，在纳米尺度上对材料表面的几何形状进行高分辨率的测量。
通过测量表面形貌，可以研究材料的相位分布、晶体结构以及晶格畸变等信息。
此外，原子力显微镜还可以测量材料表面的粗糙度参数，从而研究材料表面的质量和加工状态。
2.2 表面力学性质研究原子力显微镜不仅可以通过测量扭转或振动探针的频率变化分析样品表面的弹性模量，还可以通过测量探针在样品表面的振幅变化分析材料的粘性、黏度以及硬度等机械性质。
借助这些力学性质的测量，研究人员可以更加深入地了解材料的力学行为及其与表面结构之间的关系。
2.3 表面电学性质研究材料的电学性质对其性能和应用具有重要影响。
原子力显微镜技术可以通过探针与样品表面之间的电荷相互作用，测量材料表面的电荷分布和电导率等电学性质。
这对于研究材料的电子结构、电场效应以及电化学反应等方面具有重要意义。
第三部分：原子力显微镜技术在材料性质研究中的应用案例3.1 薄膜材料的研究原子力显微镜技术可以研究和表征各种不同类型和厚度的薄膜材料。
通过测量薄膜表面的拓扑特征和力学性质，可以评估薄膜材料的品质、制备工艺以及与基底材料之间的相互作用。
第5章-表面结构参数及其检测总结
用于判别被评定轮廓的X轴方向的长度。 评定长度包含一个或几个取样长度。 在测量时，一般取评定长度等于5个取样长度，此时 不需说明，否则应在有关技术文件中注明。
7
2.几何参数术语及定义
（1）轮廓峰(profile peak) 轮廓峰是连接（轮廓和X轴）两相邻交点向外（从材 料到周围介质）的轮廓部分。轮廓峰高Zp为轮廓峰 最高点距X轴的距离。
过盈配合，它们的孔、轴表面粗糙度参数值应小。
• 要求防腐蚀、密封性能好或外表美观的表面，表面粗糙度参数
值应小。
• 凡有关标准业已对表面粗糙度要求作出具体规定，则应按该标
准的规定确定表面粗糙度参数值的大小。
28
• 在评定参数中，幅度特性参数Ra和 Rz 是主参数，间距
参数Rsm和相关参数Rmr(c)为附加参数
3
5.1 表面结构的术语、定义及参数
5.1.1 用轮廓法确定表面结构参数
1.一般术语及定义 （1）轮廓滤波器(profile filter)
•轮廓滤波器是把轮廓分成长波和短波成分的滤波器。
实际表面轮廓是由粗糙度轮廓 （roughness profile）、波纹度 轮廓（waviness profile）以及 原始轮廓（或称形状轮廓）（ primary profile）叠加而成。以 后这三种轮廓的相关参数分别称 为R参数、W参数和P参数。
在一个取样长度内纵坐标值Z(x)的均方根值
Rq、Wq、Pq 1 l Z 2 (x)dx
l0
（3）轮廓的偏斜度(skewness of profile) 偏斜度用来表征轮廓分布的对称性，是指在一个取样
长度内纵坐标值Z(x)的三次方的平均值与Rq、Wq 或Pq的三次方的比值。
第5章 表面结构与性质——材料科学基础课件PPT
通过表面质点的极化、变形、重排来降低系 统的面能，结果导致晶体表面附近晶格畸 变，使表面结构与晶体内部有所不同。
威尔研究了晶体表面结构，提出了离子晶体表面双 电层模型，认为键强是影响表面结构的重要因素。
NaCl
5个离子层范围
内，正负离子有 结果正、负离子间的键强从外向内， 不 同 程 度 的 变 形 。 交替增强和减弱，离子间距离也是 负离子总是向外 交替缩短和增长，即表面键强数值 移动；正离子向 比较分散。 内-向外交替位移。
二、粉体表面结构
粉体：指微细的固体粒子集合体，具有极大的 比表面积，因此表面结构状态对粉体有着决定 性影响。
随着粒子的微细化，比表面增大，表面结构的 有序程度受到愈来愈强烈的扰乱，并不断向颗 粒深部扩展，最后使粉体表面结构趋于无定形 化。
三、玻璃表面结构
熔体转变为玻璃体过程中，为保持最小表面能， 各成分按其对表面能的贡献能力自发转移和扩散。
在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发组分自 表面挥发损失。
即使是新鲜的玻璃表面，其化学成分、结构也会不 同于内部。这种差异可以从表面折射率、化学稳定 性、结晶倾向以及强度等性质的观测结果得到证实。
四、固体表面的几何结构
表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面 性质。
粗糙度还直接影响到固体比表面积、内、外表面积 比值以及与之相关的属性，如强度、密度、润湿、 孔隙率和孔隙结构、透气性和浸透性等。
表面微裂纹是由于缺陷或 外力作用而产生。微裂纹 同样会强烈地影响表面性 质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
铁为什么生锈? 汽车内催化剂如何工作?
氢在金属表面的吸附；氨合成的分子机理
第五章催化剂研究方法
第五章催化剂研究方法催化剂研究方法是在催化剂领域中，用于研究催化剂活性、选择性、稳定性等性质和机理的一系列实验方法的总称。
催化剂研究方法是催化化学研究的基础和前提，也是提高催化剂性能和开发新型催化剂的重要手段。
本章主要介绍几种常见的催化剂研究方法。
一、催化剂表征方法催化剂表征方法主要是通过对催化剂表面结构、组成和性质的表征，来了解催化剂的形貌、结构和活性中心等信息。
常见的催化剂表征方法包括：X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等。
这些方法可以提供催化剂的晶体结构、形貌和表面化学环境等信息，为催化剂的性能和活性中心的研究提供了重要的依据。
二、催化剂活性测试方法催化剂活性测试是研究催化剂催化活性的重要方法，常用的催化剂活性测试方法包括：化学反应测试、光谱测试和电化学测试等。
化学反应测试是通过对催化剂在特定反应条件下的催化性能进行测试，如催化剂的转化率、选择性和反应速率等。
光谱测试是通过测量反应过程中产物的吸收或发射光谱，来确定催化剂的活性和反应机理。
电化学测试是通过在电化学电池中评价催化剂的性能，如氧化还原催化剂的电极反应活性和电催化性能等。
三、催化剂动力学研究方法催化剂动力学研究是研究催化剂表面反应动力学行为的一种方法，主要包括稳态动力学研究和瞬态反应动力学研究两种。
稳态动力学研究是通过对催化剂反应速率的测量，来确定催化剂反应动力学参数，如反应速率常数、活性中心浓度等。
瞬态反应动力学研究是通过对催化剂在瞬态反应条件下的反应动力学行为的研究，来揭示反应机理和活性中心的存在与反应路径。
四、催化剂失活机理研究方法催化剂失活机理研究是研究催化剂失活原因和机理的一种方法，常用的催化剂失活机理研究方法有：催化剂失活速率测定法、催化剂退化和再生实验、催化剂表面性质和结构分析等。
催化剂失活机理研究可以为催化剂的稳定性和寿命问题提供研究依据，为催化剂的设计和优化提供指导。
材料表面的结构和性质研究
材料表面的结构和性质研究随着科学技术的发展，材料领域的研究越来越深入。
在材料的使用和制备过程中，表面性质的重要性不言而喻。
然而，材料表面的结构和性质研究依然是一个充满挑战的领域。
这篇文章将介绍材料表面的结构和性质研究的基本概念和最新研究成果。
一、材料表面材料表面是指材料在与外界接触的界面。
通常情况下，材料表面的结构和性质与材料内部的结构和性质存在差异。
受到外部环境因素的影响，材料表面的性质对材料在生产、加工、使用和维护过程中的性能有重要影响。
例如，一些金属材料易受腐蚀、氧化和磨损等影响，表面受到损坏后可能会影响材料的强度和使用寿命。
二、表面结构和性质研究方法研究材料表面结构和性质最常用的方法是表面分析技术。
这些技术主要是通过实验手段分析和表征材料表面的物理、化学和结构特征，以此了解和控制材料表面性质的变化。
表面分析技术通常被分为非接触和接触两类。
非接触技术主要包括扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）等；接触技术主要包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和光电子能谱（XPS）等。
这些技术可以从不同角度、不同尺度和不同深度了解和表征材料表面的结构和性质。
三、表面结构和性质对材料性能的影响材料表面的结构和性质对材料的性能有很大的影响。
例如，表面粗糙度和化学成分的变化可能会影响材料的摩擦系数、磨损率、粘附性和润湿性等性质。
表面硬度和塑性也是影响材料性能的重要因素。
更深入的研究表明，材料表面还涉及到材料的动力学行为，例如晶体的生长和断裂等。
四、表面改性技术通过改变材料表面的化学成分、结构和形貌，可以改变材料的表面性质。
因此，表面改性技术成为了一种重要的技术手段，可以用于优化材料的性能。
表面改性技术可以分为物理法、化学法和生物法等。
其中，物理法主要使用物理手段改变材料表面的形貌、结构和结晶等特征，例如热处理、机械加工和等离子体处理等；化学法则是主要利用化学反应改变材料表面的化学成分和结构，例如氧化、还原、金属离子的浸渍和表面修饰等。
表面结构与性质
表面电导
01
表面电导
表面电导是指材料表面导电的性能，它与表面的电子传输 有关。表面电导的大小会影响材料的导电性能、电磁屏蔽 性能等。
02 03
影响因素
表面电导的大小受到多种因素的影响，如表面的化学组成 、晶体结构、表面态密度等。此外，表面的氧化程度、吸 附物质等也会影响表面的电导性能。
实际应用
在电子器件、集成电路、传感器等领域中，了解表面电导 对优化材料的导电性能、提高器件的稳定性等方面具有重 要意义。例如，在制备高性能的电子器件和集成电路时， 需要控制表面的化学组成和晶体结构，以提高表面的电导 性能。
表面张力
表面张力
表面张力是指液体表面分子之间的引力，它使得液体表面尽可能地缩小。表面张力的大小与液体的性质有关，如液体 的种类、温度、压力等。
影响因素
表面张力的大小受到分子间相互作用力的影响，如范德华力、氢键等。此外，液体的温度也会影响表面张力，一般来 说，温度升高会使表面张力降低。
实际应用
在工业生产和科学研究中，了解表面张力对优化液体表面的润湿性、提高液体的稳定性等方面具有重要 意义。例如，在制备微纳米材料、表面涂层、化学反应等领域中，都需要考虑表面张力对实验结果的影 响。
总结词
表面性质在跨学科领域的应用拓展是表 面科学领域的重要发展方向，旨在将表 面科学的研究成果应用于其他领域，实
现跨学科的创新和应用。
详细描述
表面科学在能源、环境、生物医学等领域具有广泛的应用前景。 例如，在能源领域，可以利用表面科学的方法制备高效的光电 材料和催化剂；在环境领域，可以利用表面科学的方法制备具 有优异性能的吸附剂和过滤材料；在生物医学领域，可以利用 表面科学的方法设计和制备具有生物相容性和功能性的医用材 料。因此，需要加强表面性质在跨学科领域的应用拓展研究， 推动表面科学的创新发展。
第五章 -结构表征
粉末衍射结构分析的科学意义
（1）自然界存在的和人工合成的绝大多数固体 材料是多晶体。
（2）新材料研究中最先得到的大多是多晶。 （3）由于易生成孪晶、包晶、生长条件苛刻等
原因 , 很多材料的单晶生长都不容易甚至不 可能 。 （4）粉末衍射能方便进行高温、低温、强电磁 场、高压下的实验, 研究物质的相变。
Powder X-ray diffraction
Purpose: to identify crystalline phase---Bragg’s law:
n = 2dsin （d为晶面间距，θ为入射角，λ为波长，n为反射级数）
Bragg 对晶体衍射的处理是将晶体点阵看作由相当于半透明的镜面构成 的，一部分射线被反射，其余部分则透过平面，被其它平面相继反射。
XPREP
Direct method or Heavy-atom method
XS
Structure analysis Shelxtl program
Structure refinement
XL
晶体生长 挑选单晶体
安装晶体 预测量 搜集数据 解析结构 图文报告
Approach of the crystal growth
Producing good quality crystals of a suitable size is the first and most important step in determining any crystal structure. Crystallization is the process of arranging atoms or molecules that are in a fluid or solution state into an ordered solid state. This process occurs in two steps--nucleation and growth.
表面结构PPT课件
随着新型表面结构和纳米材料的不断涌现，表面结构在能源 、环境、生物医学等领域的应用前景将更加广阔。未来研究 将更加注重表面结构的调控和优化，以实现更加高效、稳定 和环保的纳米科技应用。
CHAPTER 06
表面结构的模拟与计算
表面结构的分子动力学模拟
分子动力学模拟是一种基于物理的模拟 方法，用于研究表面结构的动态行为和
这些变化会影响表面的物理、化学和 生物学性质，进而影响材料的性能和 应用。
演化过程包括表面形貌的变化、表面 成分的改变、表面粗糙度的增加等。
影响表面结构演化的因素
影响表面结构演化的因素包括环 境因素和人为因素。
环境因素包括温度、湿度、光照 、氧气等，这些因素会影响表面
结构的化学和生物学性质。
人为因素包括加工方法、涂层技 术、表面处理等，这些因素会影
表面结构在材料制备中的作用
控制晶体取向和晶体结构
通过表面结构调控晶体生长过程，实现特定晶体取向和晶体结构 的制备。
优化薄膜制备
通过调整表面结构，提高薄膜的均匀性、致密性和附着力，降低缺 陷和应力。
促进纳米材料合成
利用表面结构调控纳米材料的形貌、尺寸和分布，实现高性能纳米 材料的制备。
表面结构在材料改性中的应用
蒙特卡洛模拟的计算效率较高，适用于研究大规模表面结构和复杂表面 的性质。
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CHAPTER 05
表面结构在纳米科技中的应 用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
表面结构在纳米材料制备中的应用
总结词
表面结构在纳米材料制备中具有重要作用，可以影响材料的物理和化学性质。
详细描述
表面结构决定了纳米材料的形貌、晶体结构和化学稳定性，从而影响其光学、 电学、磁学和催化性能。通过控制表面结构，可以制备出具有特定性能的纳米 材料，如半导体材料、金属氧化物、碳纳米管等。
五表面结构与性质
5.1.5 表面偏析 一些杂质会由体内偏析到表面来，从 而使固体表面组成与体内不同（这是由于 表面偏析有利于降低表面能）。 对理想溶液而言，表面张力较小的组 分将在表面上偏析(富集)。
5.1.6 表面力场
表面力场的形成：表面断键表现出剩余键力称为 表面力。它们导致吸引气体分子、液体分子或固体 质点。这种吸引作用是固体表面力和被吸引质点的 力场相互作用产生的。这种相互作用力称为固体表 面力。 （1）化学力 是指固体表面的不饱和价键与被吸附物之间作用， 发生电子转移而产生化学力，即形成表面化合物。
固体表面具有以下特点： （1）一般情况下，固体的表面张力与固体的表面 自由能在数值不相等。（因为固体的表面能包含 了弹性能）； （2）固体的表面张力是各向异性的。（由于结构 的各向异性及表面不均匀所致）； （3）决定固体表面形态不是表面张力，而是形成 固体表面时的条件和它所经历的历史； （4）固体的表面自由能和表面张力的测定困难。 在研究固体表面时，对于与机械性质有关的场合， 应用表现张力的概念，对于与热力学平衡性质有 关的场合应用表面自由能。
（2）分子引力（表面物理吸附和气体凝聚的主要原 因） A、定向作用力：其大小与分子的电偶极矩及分子间 的距离有关。 B、诱导作用力：其大小与分子的电偶极矩及分子间 的距离以及非极性分子的极化率有关。 C、色散力（分散作用力）：其大小与非极性分子的 极化率及分子间的距离有关。 分子引力主要表现为引力。
弯曲表面下的附加压力
1.在平面上 研究以AB为直径的一个环 作为边界，由于环上每点的两 边都存在表面张力，大小相等， 方向相反，所以没有附加压力。
设向下的大气压力为Po， 向上的反作用力也为Po ，附加 压力Ps等于零。 Ps = Po - Po =0
第5章 表面结构与性质
§ 5.1.5 表面力场
表面力场的形成：表面断键表现出剩余键力称为 表面力。它们导致吸引气体分子、液体分子或固体质 点。这种吸引作用是固体表面力和被吸引质点的力场 相互作用产生的。这种相互作用力称为固体表面力。
（1）化学力 是指固体表面的不饱和价键与被吸附物之间作用，
注：由于固体与液体形成表面时，其中原子移动的 难易程度不同，前者难而后者易，因而，固体 表面往往处于一种非平衡态，而液体则很快达 到动态的平衡状态。School of materials Science and engineering
对没有外力作用的表面系统，系统总表源自能将自发 趋向于最低化。 液体表面能
（3）玻璃
表面力场和表面能高于晶体。
组成与内部不同。由熔体转变成玻璃体的过程， 为保持最小表面能，表面活性大的离子自发聚集于 表面。其次，成型、退火过程某些物质，如硼、碱、 氟等易挥发成分自表面的挥发损失。 高极化离子对表面结构性质的影响。以Pb2＋为 例，降低表面能，具有正温度系数。
（1）台阶表面
台阶表面不是一个平面，它是由有 规则的或不规则的台阶的表面所组成。
[110] [112]
[111]
两个不同的晶面
周期
图4.1.2 Pt（557）有序原子台阶表面示意图
School of materials Science and engineering
面心立方晶体接近(100)面的邻位面的平台－台阶－扭折模型图 (a) (100)面平台上的台阶；（b）台阶上的扭折
§ 5.1.2 清洁表面
清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、 杂质扩散等物理-化学效应的表面。这种表面的组 成与体内相同，但周期性结构可以不同于体内。
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另一类面缺陷出现于有限晶体的内部，称作界面（界面的
结构特征对于晶体材料的各种性质可以产生更为广泛和重 要的影响）
材料科学基础
第五章 表面结构与性质
பைடு நூலகம்
水滴为什么是圆 形而不是方形？
材料科学基础
第五章 表面结构与性质
它们为什么可以漂在 水面上
昆虫水黾
材料科学基础 第五章 表面结构与性质
ps
水
水在毛细管中为什么会 上升？
A:固体表面的面积
只有当固体表面达到热力学平衡时，才有：γ ＝GS 大多数固体处于非热力学平衡：γ≠GS
材料科学基础 第五章 表面结构与性质
第二节 固体的表面结构及性质
Surface-Structure and Properties of Solids
材料科学基础
第五章 表面结构与性质
一、理想表面
概念：晶体内部结构不变地延续到表面后突然中断， 这是理论上结构完整的二维点阵平面 几个假设： （1）忽略了晶体内部周期 性势场在晶体表面中断的 影响 （2）忽略了表面原子的热 运动、热扩散和热缺陷等 （3）忽略了外界对表面的 物理－化学作用等
材料科学基础
理想表面结构示意图
第五章 表面结构与性质
溶解度、吸附、润湿、化学
活性、化学反应等方面的变 化，如纳米材料的特性
化、能量交换、摩擦磨损、光
的吸收与反射等也都与表面与 界面特性密切相关
材料科学基础
第五章 表面结构与性质
第一节 固体表面的基本特征
Basic Characteristics of Solid Surfaces
材料科学基础
第五章 表面结构与性质
1、对于实际晶体，处于物体表面的质点，其境遇和内部是不 同的，表面的质点处于（ ）的能量，所以导致材料呈现一 系列特殊的性质。 A: 较高 B: 较低 C: 相同 D: A或C 2、由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原 子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为（ ）。 A: 表面收缩 B: 表面弛豫 C: 表面滑移 D: 表面扩张 3、重构表面是指表面原子层在水平方向上的周期性与体内 （ ），垂直方向的层间距与体内（ ）。 A: 不同；相同 B: 相同；相同 C: 相同；不同 D: 不同；不同
的热运动削弱了质点间的吸引力
● 表面能与杂质：材料中含有少量能使表面能减小的组分，
则会在表面上富集并显著降低表面能；若含有少量能使表面
能增加的组分，则倾向在体内富集并对表面能影响不大
材料科学基础
第五章 表面结构与性质
● 固体表面能确定的方法：实验测定和理论计算 ● 实验方法：较普遍采用的是将固体熔化测定液态表面张力 与温度的关系，作图外推到凝固点以下来估算固体的表面张力
周期
材料科学基础
第五章 表面结构与性质
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第五章 表面结构与性质
原子力显微镜观察方形沸石粉末
材料科学基础 第五章 表面结构与性质
（2）驰豫表面 概念：表面晶体结构与体内基本相同，但点阵参数略有差 异，特别表现在垂直方向上，一般也称为法向弛豫，如下 图所示。 产生原因：表面质点受力出 现不对称。可以波及几个质 点层，越接近表层，变化越
于内部并使表面积有尽量收缩
的趋势，结果在表面切线方向 上有一种缩小表面的力作用， 这个力即表面张力 ，其物理意 义：作用于表面单位长度上与 表面相切的力，单位N· m-1
表面能：若要使表面增大， 相当于使更多的质点移到 表面，则必须对系统做功， 在恒温、恒压条件下，增
加一个单位表面积时所做
的功，单位J· m-2
二、清洁表面
清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理 -化学效应的表面。这种表面的组成与体内相同，但周期性结构
可以不同于体内
台阶表面
清洁表面
弛豫表面 重构表面
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（1）台阶表面 台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台 阶的表面所组成
[110] [112] [111]
d0
d0
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三、吸附表面
吸附表面有时也称界面。它是指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 分为四种吸附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心 吸附等
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第五章 表面结构与性质
材料科学基础 第五章 表面结构与性质
依性质不同，固体表面力可分为化学力和分子力 （1）化学力：本质是静电力，来自于固体表面的不饱和价键
（可用表面能的数值来估计）
当固体表面质点通过不饱和键与被吸附物间发生“电子转移” 时，产生化学力——形成了表面化合物
（2）范德华力（分子力）：一般指固体表面与被吸附质点 （如气体分子）之间相互作用力，
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第五章 表面结构与性质
• 在液体中，原子和原子团易于移动，拉伸表面时，液 体原子间距离并不改变，附加原子几乎立即迁移到表 面。所以，与最初状态相比，表面结构保持不变。因 此液体的表面张力和表面能在数值上是相等的。只是 同一事物从不同角度提出的物理量。 • 对于固体，引起表面变形过程比原子迁移率快的多， 则表面结构受拉伸或压缩而与正常结构不同，因而， 固体的表面能与表面张力在数值上不相等。
它是固体表面产生物理吸附和气体凝聚的主要原因，与液体的内压、
表面张力、蒸汽压等性质密切相关。分子力主要来源于以下三种效应：
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A、定向作用（静电力）：发生在极性物质之间，相邻两 个极化的电偶极矩相互作用的力。 B、诱导作用力：发生在极性与非极性物质之间，指在极性
物质作用下，非极性物质被极化诱导出暂态的极化电偶极矩，
随后与极性物质产生定向作用。 C、分散作用力（色散力）：发生在非极性物质之间，非极 性物质瞬间电子分布并非严格对称，呈现瞬间的极化电矩， 产生瞬间极化电矩间相互作用。
2 4 E0 3r 6 kT
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2 2 Ei 6 r
3 2 E D 6 h r
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界面(Interface) ：物质的两相之间密切接触的过渡区 表面(Surface)：在稳定状态下，自然界的物质通常以气、液、 固三相存在。这三者之中，任何两相或两相以上的物质共
存时，会分别形成气-液、气-固、液-液、液-固、固-固乃至
气-液-固多相界面。通常所讲的固体表面（surface）实际上 是指气-固两相界面，而看到的液体表面则是气-液两相界面
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第五章 表面结构与性质
表面和界面现象对于材料的制备和使用起到至关重要 的作用，是功能材料研究的前沿领域。近年来，表面 与界面起突出作用的新型材料，如薄膜与多层膜、超
晶格、超细颗粒与纳米材料等的发展正如日中天，既
发现了一系列新的物理现象和效应，又展示了应用上 的巨大潜力
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第五章 表面结构与性质
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固体表面张力和表面能的特点： （1）一般情况下，固体的表面张力与固体的表面自由能在数值不
相等（因为固体的表面能包含了弹性能）；
（2）固体的表面张力是各向异性的（由于结构的各向异性及表面 不均匀所致）；
（3）决定固体表面形态不是表面张力，而是形成固体表面时的条
件和它所经历的历史；
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（1）晶体表面结构 A、离子晶体表面双电层 形成机理：在离子晶体表面上，负离子电子云将被拉向内侧
的正离子一方而变形，诱导成电偶极子；为降低表面能，各
离子周围的相互作用将尽量趋于对称，因而M+离子在周围质 点作用下向晶体内靠拢，而易极化的X－离子受诱导极化偶极
子的排斥而被推向外侧形成表面双电层
第五章 表面结构与性质
第一节 固体表面的基本特征
第二节 固体的表面结构及性质
第三节 固体的界面与结构
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概 述
理想完整晶体在于其结构完全的周期性和对称性 有限大小的晶体，其表面是平移对称性终止处，是一类典
型的面缺陷（由于晶体材料与外界相互作用是通过表面来
实现的，因而表面的结构特征无论从基础理论或技术应用 的角度看，都是至关重要的）
离子晶体双电层的产生使表面层键性改变，即共价键性增强， 同时固体表面被一层负离子所屏蔽而导致组成非化学计量
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2. 1. 从晶格点阵稳定性 离子晶体NaCl在表面 3.当表面形成双电层 后，它将向内层发生 考虑作用力较大，极 力作用下，处于表面层 作用，并引起内层离 化率小的正离子应处 的负离子 Cl-在外侧不饱 子的极化和重排，这 于稳定的晶格位置， 和， Cl-极化率大，通过 种作用随着向晶体的 而易极化的负离子受 电子云拉向内侧正离子 纵深推移而逐步衰减。 诱导极化偶极子排斥 一方的极化变形来降低 表面效应所能达到的 而推向外侧，从而形 表面能。这一过程称为 深度，与阴、阳离子 成表面双电层。重排 松弛，它是瞬间完成的， 的半径差有关，差愈 结果使晶体表面能量 接着发生离子重排。 大深度愈深。 趋于稳定。
显著。
弛豫表面示意图
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0.1A
F-
0.35A Li+
LiF(001)弛豫表面示意图， · Li 〇 F
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（3）重构表面 概念：重构是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离与体内相同
as a
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（4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难