固体表面特征PPT课件

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金属表面的实际构成示意图
工程表面
对于给定条件下的表面，其实际组成及各层的厚度
与表面制备过程、环境以及材料本身的性质有关。
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2. 固体表面力场
定义： 晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在
晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面， 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，表现出剩余的键力， 称 之为固体表面力。
第二章 固体表面的特征
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教学目的与要求
介绍表面形貌的概念，掌握表征表面形貌的参 数及其计算方法，了解表面形貌的测量方法；
介绍金属表面的基本特性，了解金属表面的物 理吸附和化学吸附现象；
教学重点、难点
表面粗糙度的表征和测量
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2.1 表面的基本特性 一、固体表面
理想的晶体由原胞组成，并具有三维周期性。但物
密排六方晶格：镁(Mg)、镉(Cd)、铍(Be)、锌（Zn） 等。
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2．晶体结构变化
晶体结构的变化可以改变金属表面的摩擦特性。如元素 钴在加热时，晶体结构从常温的密排六方晶格转变为面心 立方晶格，摩擦系数增大，而当温度降到室温时，摩擦系 数将减小到原来的数字。而四氯化物在温度升高到 222.5K时，摩擦系数大大降低。
固体中表面力分为哪几类？
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表面力的分类： (1) 化学力（长程力）
(2) 范得华力(分子引力)
定向作用力FK(静电力) ：发生于极性分子之间 诱导作用力FD ：发生于极性与非极性分子之间。 分散作用力FL(色散力) ：发生于非极性分子之间。
F范＝FK＋FD＋FL 1/r7
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二、清洁表面
是指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、 催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。
制备清洁表面对于表面分析，特别是对表面结构的分 析是非常重要的。
可以采用真空蒸发、磁控溅射、分子束外延等方法得 到比较纯净的薄膜材料，作为研究清洁表面结构的试 样。
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三、表面结构
1. 金属的晶格类型
金属及其合金都是由原子或分子所组成的一种物质的凝聚集态， 金属的性能不仅取决于其组成原子的本性和原子间结合键的类型， 同时也取决于原子规则排列的方式。
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表面张力
在建立新的表面时，邻近的原子丢失、键被切断。 为此，必须作某种功。在一定的温度、压力下，保持 平衡条件，当表面积a只增加da时，该系统也必须做
功。这个可逆的表面功W S由下式给出：
Ws da
如果没有任何非可逆过程，那么这个可逆功
W
s T
,P就
等于表面能量的变化。因此
WsT,Pd(Gsa)
质不是无限的，在晶体中原子或分子的周期性排列发
生大面积突然终止的地方就出现了界面，如固体－液
体、固体－气体及固体－固体的界面，常把固体－气
体（或真空）、固体－液体的界面称为固体的表面。
很多物理化学过程：催化、腐蚀、摩擦和电
子发射等都发生在“表面”，可见其重要性。
表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象
表面叫数学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作
物理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。
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1. 固体表面的特点
固体表面的不均一性。 表现在：
(1) 固体表面的凹凸不平 (2) 固体中晶体晶面的不均一性：
各相异性、晶面不完整 (3) 表面被外来物质所污染，表面吸附外来杂质 (4) 制备和加工条件
在表面的位置 配位数 表面所处晶面
角上原子
3
原子在(111)上
边缘原子
5
原子在(100)上
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配位数
9 8
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表面上方原子的空缺，必然导致晶体表面电荷分布的变化， 从而使表面原子排列或多或少发生变化。不过，实验分析 表明，很多晶体材料的表面有着近乎理想的原子排列。当 然，也有很多例外。
金属表面出现“断键”，原子的能量会升高，为了达到一 个较稳定的状态，电子也要重新分布，也就是说电子与离 子、电子与电子之间的交互作用都会发生变化，使表面与 体内的电子分布不同，一般要在表面形成一电偶层，可降 低十分之几电子伏特的表面能。
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C D
B A
线缺陷
位错破坏了原子的有序排列，位错运动可使晶体产生弹性畸变和塑性 变形。位错的产生使金属接近表面处产生微孔隙，当微孔隙凝聚时就产生 相平行的裂纹，当裂纹生长到极限长度时，材料就会以“薄瓣状”剥落下 来。加工硬化就是当位错密度随塑性变形增加而增加时，许多位错相互作 用的结果。
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W sT,P (G a sa) T,Pd a G sa G as T,P da
材料表面电子结构的不同，在很大程度决定表面的化学性 质，对金属表面的吸附和粘着是非常重要的。
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四、表面缺陷
按照几何特征，晶体缺陷主要分为：
（1） 点缺陷 （2） 线缺陷 （3） 面缺陷
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a 空位
杂质原子
b 间隙原子
c 置换原子
点缺陷
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲—晶格 畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变 化。
固态金属规则排列的原子即称为晶体结构。
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基本排列形式有体心立方晶格、面心立方晶格和密排 六方晶格。
a 体心立方晶格
b 面心立方晶格 晶体结构
c 密排六方晶格
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在常用金属中：
体心立方晶格：铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、 铁(α-Fe)等。
面心立方晶格：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和 铁(γ-Fe)等。
晶粒（单晶体）
晶界
面缺陷
晶界对位错运动起阻碍作用，使金属的强度升高。 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。
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亚晶界
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2.2 表面张力与表面能
在表面，晶格的周期性被切断，因此表面原子处 于与固体内部不同的环境之中。其实，表面的组成和 物理性质是由单一相慢慢地变化而来的领域，虽然很 难把它当作原来的热力学相，但能作为一种由温度、 面积、曲率半径以及各组分原子的质量等决定的特殊 相来处理。总之，固体表面相的热力学性质必须与固 体内部区别开来考虑。
在摩擦力的作用下，表层反复变形，温度也随之变化， 接触区的晶体结构和材料结构在不断变化，导致互相作用 的两表面摩擦特性的改变。所以原子由有序排列状态转化 为无序排列状态是材料结构变化的重要因素之一
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3.表面结构
表面原子 M 的配位数 为 5。而基 体中的任一 个原子的配 位数为 6。
面心立方表面原子的配位数