材料表面与界面 第一章 固体表面
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〔3〕重构外表 重构是指外表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那么与体内一样。
as
a
d0 d0
图4－8 重构外表示意图
3、吸附外表 吸附外表有时也称界面。它是在清洁外表
上有来自体内扩散到外表的杂质和来自外表周 围空间吸附在外表上的质点所构成的外表。
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。
表面能减少
图4—10 离子晶体外表的电子云变形 和离子重排
〔2〕 从晶格点阵稳 定性考虑作用力较大， 极化率小的正离子应 处于稳定的晶格位置 而易极化的负离子受 诱导极化偶极子排斥 而推向外侧，从而形 成外表双电层。重排 结果使晶体外表能量
0.286nm
0.02nm
在NaCl晶体中，阳离子从〔100〕 面缩进去， 在外表层中形成一个 0.02nm厚度的双电层
化学性质：化学活性、催化、固相反响 等 〔反响能力增强、存在固体的外表 二、固体外表的特征 三、固体外表构造 四、固体的外表能 定义： 外表:一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界面。 界面:一相与另一相(构造不同)接触的分界面。
液—气界面
固—气界面
液—液界面
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概述：
晶体和玻璃体：假定任一个原 子或离子都处在三维无限连续的 空间中，周围对它作用完全一样。
(5) 固体外表无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，
材料表面与界面
表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。
若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
表面：在真空状态下，物体内部和真空之间的过渡区域，是物体最外面的几层原子和覆盖其上的外来原子和分子所形成的表面层。
表面层有其独特的性质,和物体内部的性质完全不同。
几何概念：表面是具有二维因次的一块面积，无厚度、体积。
界面：两个物体的相态相接触时的过渡区域，由于分子间的相互作用，形成在组成、密度、性质上和两相有交错并有梯度变化的过渡区域。
几何概念：它不同于两边相态的实体，有独立的相、占有一定空间，有固定的位置，有相当的厚度和面积。
弛豫；指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
可能涉及几个原子层。
重构：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。
这种不平衡作用力使表面有自动收缩的趋势，使系统能量降低的倾向，由此产生表面张力以σ表示，称为表面张力，即：6=f/2l，6=dw/da，σ也可以理解为表面自由能，简称表面能。
例题：20℃时汞的表面张力为4.85×10-1 Jm-2，求在此温度及101.325 kPa 的压力下，将半径1mm的汞滴分散成半径10-5 mm的微小汞滴，至少需要消耗多少功？解：已知：σ＝4.85×10-1 Jm-2，r1=1mm, r2=10－5 mm，界面张力的热力学定义。
在恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示。
广义表面自由能的定义：保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。
狭义表面自由能的定义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，用符号σ表示，单位为J·m-2。
表面张力与表面Gibbs自由能的异同：相同点：数值相同，量纲相同。
不同点：物理意义不同，单位不同。
例：试求25℃，质量m＝1g的水形成一个球形水滴时的表面自由能E1。
《固体的表面性质》课件
界面热学性质是指固体与其他相之间界面上的热学性质。界面热学性质的测 量方法多样，并对固体的性质产生重要影响。
总结
通过本课程的学习，我们了解了固体的表面性质的背景和意义，以及表面能、 主动表面、吸附现象和界面热学性质的相关知识。固体表面性质的研究对于 材料科学和应用具有重要意义，并且有着广阔的发展前景。
《固体的表面性质》PPT 课件
固体的表面性质是研究固体材料表面上发生的各种现象和特性的学科，本课 件将介绍固体表面性质的背景、表面能、主动表面、吸附现象和界面热学性 质。
固体的表面性质：简介
固体的表面性质研究的是固体表面上发生的各种现象和特性。了解固体的表面性质对于材料设计和应用具有重 要的意义。
表面能
表面能是固体表面各个点自由能的平均值，可以用来描述固体表面对外界的 亲疏性。
主动表面
主动表面是指能主动改变自身表面性质的固体表面。不同类型的主动表面具 有不同的特点和应用。
吸附现象
吸附现象是指固体表面吸附气体、溶液或固体的现象。吸附现象有不同的分类和特点，并对固体的性质产生影 响。
界面热学性质
总结
通过本课程的学习，我们了解了固体的表面性质的背景和意义，以及表面能、 主动表面、吸附现象和界面热学性质的相关知识。固体表面性质的研究对于 材料科学和应用具有重要意义，并且有着广阔的发展前景。
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固体的表面性质是研究固体材料表面上发生的各种现象和特性的学科，本课 件将介绍固体表面性质的背景、表面能、主动表面、吸附现象和界面热学性 质。
固体的表面性质：简介
固体的表面性质研究的是固体表面上发生的各种现象和特性。了解固体的表面性质对于材料设计和应用具有重 要的意义。
表面能
表面能是固体表面各个点自由能的平均值，可以用来描述固体表面对外界的 亲疏性。
主动表面
主动表面是指能主动改变自身表面性质的固体表面。不同类型的主动表面具 有不同的特点和应用。
吸附现象
吸附现象是指固体表面吸附气体、溶液或固体的现象。吸附现象有不同的分类和特点，并对固体的性质产生影 响。
界面热学性质
材料的表面与界面第一章 表面与界面的基础知识
表面张力和表面自由能是对同一表面现象从 力学和热力学角度所做的描述。
表面张力的力学概念直观、易应用，在分析 各种界面同时存在的各界面张力的平衡关 系时容易理解。
表面自由能的概念反映现象的本质，讨论表 面现象的各种热力学关系时应用表面自由 能概念更贴切和方便。
在采用适宜的单位时（如表面张力用mN.m-1, 表面自由能用mJ.m-2），同一体系的表面 张力和表面自由能数值相同。
的高度h服从washburn方程：h2=ctrcos/2η 和η为液体的表面张力和黏度；c为毛细管因子，r为与粉体
柱相当的毛细管平均半径，一般将cr作为仪器常数。
五. 浮选与接触角
测定接触角后可以用来计算固体的表面能， 润湿热，吸附量等有用的数据。
在工业上接触角的研究的最大应用在泡沫浮 选：在矿浆中加入起泡剂等后通入空气形 成泡沫，由于水对矿石粉不同组成的润湿 性质不同，有用矿粉体附着在泡沫上并上 浮分离，无用的矿粉体则沉入水底。每年 全世界用浮选法分离的矿石达到10亿吨以 上。
材料表面与界面研究的意义 材料的表面与其内部本体，无论在结构上还是在化学组成上都有明显
的差别，这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的， 而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的，因此产生了表面 能。对于有不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，某一 组分也可能富集在材料的表界面上。即使是单组分的材料，由于内部 存在的缺陷，如位错等，或者晶态的不同形成晶界，也可能在内部产 生界面。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 的表界面密切有关。因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。
-GS=sg - lg - sl = S
材料表面与界面-第一章
润湿性
指液体在固体表面上扩散 和附着的能力。
影响因素
表面吸附和润湿性受表面 张力、表面能、物质性质 等因素的影响。
表面形貌与结构
表面形貌
指固体表面的几何形状和 外观特征。
表面结构
指固体表面的化学组成和 分子排列结构。
影响因素
表面形貌和结构受物质性 质、制备方法和环境条件 等因素的影响。
03 材料界面的基本概念
材料表面与界面-第一章
目录
• 引言 • 材料表面的基本性质 • 材料界面的基本概念 • 材料表面与界面的应用 • 总结与展望
01 引言
表面与界面的定义与重要性
定义
表面是指物质的最外层，而界面 则是指两种不同物质之间的接触 面。
重要性
表面与界面在许多物理、化学和 生物过程中起着关键作用，如催 化反应、电子传输、生物分子相 互作用等。
04 材料表面与界面的应用
表面技术在材料制备中的应用
表面涂层技术
通过在材料表面涂覆一层具有特 殊性能ห้องสมุดไป่ตู้涂层，以提高材料的耐
腐蚀、耐磨、隔热等性能。
表面合金化技术
通过改变材料表面的元素组成和 相结构，使其具有优异的耐高温、
抗氧化、抗疲劳等性能。
表面微纳结构制备
利用微纳加工技术，在材料表面 制备出具有微纳尺度结构的表面， 以提高材料的表面能、润湿性、
摩擦学性能等。
界面技术在复合材料中的应用
界面设计
01
通过优化界面结构和性质，提高复合材料的力学性能、电性能、
热性能等。
界面增强
02
利用界面层对复合材料的增强作用，提高复合材料的强度、韧
性、耐疲劳等性能。
界面相容性
无机材料物理化学固体表面与界面
无机材料物理化学固体表面与界面在材料科学的世界中，无机材料物理化学是一个极其重要的研究领域，特别是在固体表面与界面方面的研究。
这些研究涵盖了各种无机材料，包括金属、非金属、半导体和绝缘体等，它们的表面和界面行为对材料的性质和性能有着深远的影响。
我们来看看固体表面的物理化学。
固体表面是一个具有特殊结构和性质的相，它与相邻的介质（如气体、液体或另一种固体）相互作用。
这种相互作用会影响材料的润湿性、吸附性、反应性以及电子传输等性质。
例如，通过改变表面的粗糙度或化学活性，我们可以控制材料表面的润湿性，进而影响其与液体的相互作用。
界面在无机材料中同样扮演着重要的角色。
在无机材料中，界面可以是两种不同材料之间的接触面，也可以是同一材料不同晶面之间的接触面。
这些界面上的原子排列和电子结构会不同于体相材料，从而影响材料的物理和化学性质。
例如，石墨烯和氮化硼之间的界面可以影响电子传输和热导率。
我们还研究了固体表面和界面在光电、催化、储能等领域的应用。
这些应用需要我们对材料的表面和界面性质有深入的理解，才能实现高效的能量转化和优异的性能。
例如，在太阳能电池中，我们需要优化半导体材料的表面结构以增加光吸收和载流子分离效率；在催化剂中，我们需要理解表面结构对反应活性的影响以设计高效的催化剂。
无机材料物理化学中的固体表面与界面研究为我们提供了理解和控制材料性质的新途径。
通过深入了解材料的表面和界面性质，我们可以设计出具有优异性能的新材料，并优化其在能源、环保、信息技术等领域的应用。
在过去的几十年中，纳米科技的发展取得了令人瞩目的成就。
无机纳米材料，作为一种重要的纳米科技领域，具有许多独特的物理、化学和机械性质，因此在许多领域具有广泛的应用前景。
然而，由于其表面能高，无机纳米材料容易团聚和稳定性差，这限制了其实际应用。
为了解决这些问题，表面修饰改性成为了一种有效的手段。
通过对无机纳米材料进行表面修饰改性，可以有效地提高其稳定性、相容性和生物活性，从而进一步拓展其应用范围。
材料科学基础05-固体的表面与界面
液-液界面
液-固界面
固-固界面
• 固-固界面是固体中的一种缺陷，有其自身的结构 、化学成分和物理化学特性。这种缺陷，从它在 物质中分布的几何特征来看，是二维的，借此区 别于其他晶体缺陷如位错和空位等。
面缺陷 （二维缺陷）
• 晶体材料中存在着许多界面，如（外）表面（surface） 与内界面（interface）等。
表
部
面
0.281nm
0.266nm
图10 NaCl表面层中Na+Βιβλιοθήκη 里；Cl-向外移动并形成双电层
离子极化性能愈大，双电层愈厚，从 而表面能愈低。
如：PbI2表面能最小（130尔格／厘米2 ）；PbF2次之（900尔格／厘米2）；CaF2 最大（2500尔格／厘米2）
2、粉体表面结构
• 粉体：微细的固体微料集合体大小，表面材料工艺 中，原料加工成微细颗粒以利于成型和烧结。
固体的表面
图1 不均匀表面的示意图 • 固体表面的结构和性质在很多方面都与体内不同．晶体内
部的三维平移对称性在晶体表面消失了．把固体表面称为 晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。
固体的表面
• 理想表面 • 清洁表面
– （1）台阶表面 – （2）弛豫表面 – （3）重构表面
• 吸附表面
1、理想表面
• 表面存在大量的活性晶格点：由于打磨，加工表面的局部被扭 曲变形引起，这种表面常常比电解抛光或低温退火预处理后的 表面更活泼 。
• 残余应力 ：机加工后，除了表面产生拜尔贝层之外，还存在着 各种残余应力，按其作用范围大小可分为宏观内应力和微观内 应力
2021/8/27
26
• 金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图
固体的表面
NA，则：
Ls N A z( / 2)
(3-4-3)
要产生两个表面，需要断开其上的原子键。设形成一个表面
原子所需断开的键数为zo，原子间距为a，则有：ຫໍສະໝຸດ a2 0 z0 ( / 2)
(3-4-4)
因摩尔体积Vm = NA a3，则根据上两式得出：
2
Ls 1 0Vm3
(3-4-5)
1
其中 1
z
z0
式中：E为弹性模量，γ是表面能。
(3-4-12)
3.表面行为
(1) 表面吸附与偏析
吸附：异相原子或分子附着在固体表面上的现象。
偏析：固溶体（或液体）中的溶质原子富集在表面或界面层。
①吸附等温方程
根据热力学第一和第二定律，引入表面能 s，表面相内能的变
量可表示为：
dES TdSS isdxiS S dA
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，变化越显著。
图3-4-1 驰豫表面示意图
②表面结构重构 表面晶体结构和体内出现了本质的不同。重构常表现为表 面超结构的出现，即两维晶胞的基矢按整数倍扩大。
图3-4-2 重构表面示意图
③表面双电层 概念：在离子晶体表面上，作用力较大、极化率小的正离
nib、nis 为第i个离子在晶内和表面上最近离子的配位数。 则晶内取走一个离子所需能量为uib·nib／2，表面为nis·uis/2 。 若设uib＝uis ，得第i个离子两个位置下内能差为：
(u) s,v
[ nibuib 2
nisuis ] 2
nibuib 2
[1
nis ] nib
U0 N
[1
nis ] nib
式中 U0 为晶格能，N 为阿伏加德罗常数。
Ls N A z( / 2)
(3-4-3)
要产生两个表面，需要断开其上的原子键。设形成一个表面
原子所需断开的键数为zo，原子间距为a，则有：ຫໍສະໝຸດ a2 0 z0 ( / 2)
(3-4-4)
因摩尔体积Vm = NA a3，则根据上两式得出：
2
Ls 1 0Vm3
(3-4-5)
1
其中 1
z
z0
式中：E为弹性模量，γ是表面能。
(3-4-12)
3.表面行为
(1) 表面吸附与偏析
吸附：异相原子或分子附着在固体表面上的现象。
偏析：固溶体（或液体）中的溶质原子富集在表面或界面层。
①吸附等温方程
根据热力学第一和第二定律，引入表面能 s，表面相内能的变
量可表示为：
dES TdSS isdxiS S dA
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，变化越显著。
图3-4-1 驰豫表面示意图
②表面结构重构 表面晶体结构和体内出现了本质的不同。重构常表现为表 面超结构的出现，即两维晶胞的基矢按整数倍扩大。
图3-4-2 重构表面示意图
③表面双电层 概念：在离子晶体表面上，作用力较大、极化率小的正离
nib、nis 为第i个离子在晶内和表面上最近离子的配位数。 则晶内取走一个离子所需能量为uib·nib／2，表面为nis·uis/2 。 若设uib＝uis ，得第i个离子两个位置下内能差为：
(u) s,v
[ nibuib 2
nisuis ] 2
nibuib 2
[1
nis ] nib
U0 N
[1
nis ] nib
式中 U0 为晶格能，N 为阿伏加德罗常数。
材料表界面 第一章 绪论
表、界面现象 肥皂和洗涤剂（表面活性剂） 乳化剂和稳定剂（非表面活性剂） 除草剂和杀虫剂 织物软化剂 润滑、粘接、泡沫、润湿和防水 三次采油、制糖、烧结 呼吸、关节润滑、液体输送中的毛 细现象、动脉硬化
41
绪论
表面化学基本原理对登月计划的成败产生如此举足
轻重的影响，表界面研究的重要性由此可见一斑
42
吸附有外来原子的表面称为吸附表面，吸附原子可以形成无 序的或有序的覆盖层。
1
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2.材料表面
物理表面通常限于表面以下两三个原子层及 其上的吸附层, 而材料科学研究的表面包括各种表面作用和 过程所涉及的区域, 其空间尺度和状态决定 于作用影响范围的大小和材料与环境条件的 特性。
1
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最常见的材料表界面类型
表界面通常有五类：
气-液界面（表面） 气-固界面（表面） 液-液界面 液-固界面 固-固界面
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表界面例子：
（1）气-液界面
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（2）气-固界面
14
（3）液-液界面
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（4）液-固界面
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（5）固-固界面
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Question:
• 贴了膜的手机表面滴了一滴油水混合物，其中的界面有哪些？
L-G
➢第6章至第9章讲述高分子材料、无机非金属材料和复合 材料的表界面。
4
第一章 绪论
1.1 表界面的基本概念 1.2表界面科学研究的发展过程 1.3表界面研究的重要性
5
生活中的表界面现象
轮胎打滑：
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荷叶表面：
•荷花具有出污泥而不染 的气节。
8
荷叶表面：
9
1. 1 表界面的基本概念
1.1.1表界面的定义
材料科学中的表面和界面现象
材料科学中的表面和界面现象表面和界面现象是材料科学领域中最重要的研究方向之一。
在材料工程、物理、化学等领域中，表面和界面现象的研究是其中的核心内容。
表面和界面现象涉及到材料表面和界面的结构、性质、热力学和动力学等方面的内容。
本文将介绍表面和界面现象的基本概念，探究其在材料科学中的重要性，并从多个角度阐述表面和界面现象在材料科学中的应用。
一、表面和界面现象的基本概念表面是指材料与周围环境相接触的部分，是材料的最外层。
表面现象是指固体表面的物理和化学性质与固体本身不同的性质，包括表面能、表面物理化学反应和表面反应动力学等。
界面是指两个物质相互接触的界面，由于接触必然引起界面区域的变化，所以界面现象与表面现象有许多相似之处。
界面现象包括表面张力、粘附力、润湿性等。
表面张力是指基于表面吸附机理，类似于薄膜的张力作用。
粘附力则是由表面间的物理吸附和化学反应产生的相互吸引力，常常涉及界面界面的剪切方面或接触角等方面。
表面和界面现象是由材料表面或界面上的分子作用产生的，其中动力学因素如扩散和迁移等也是相当重要的。
扩散是物质分子的自发移动，在固体表面和界面处的扩散通常比在体积中会大得多。
在材料科学中，表面和界面现象可以用于改良材料的性质和性能。
二、表面和界面现象在材料科学中的重要性表面和界面现象在许多材料科学领域中都有着广泛的应用。
例如，这些现象可以用来控制材料的力学性能、光学性能、热学性能，以及用作催化剂、杀菌剂等方面。
用于工程材料的粘附剂、涂层技术以及材料加工中的冶金技术通常都涉及到表面和界面现象的应用。
表面状态和化学特性对于颗粒物和纳米结构材料的制备和应用有着重要的影响。
表面和界面现象也成为创新材料设计的基础，包括涂层材料的设计、减小接触角的材料（如超疏水、超疏油材料）的制备、双氧水气泡杀菌、合金制备、新催化剂的研究等。
另外，表面和界面现象在电子器件中也起着重要的作用，像皮肤感应器、高分子材料、太阳能电池、传感器、LED材料等。
无机非金属材料结构基讲义础--表面与界面
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5
2、固体的表面现象 处于任何相态的任何物质的表面与其体相相比较, 二者在组成、结构、性能、质
点（原子、分子、离子）的能量状态和受力情况等方面均有差别，由此而产生的各 种物理和化学现象称之为表面现象，集中表现在以下几个方面：
1）表面质点的几何结构不同于体相，形成新的对称性与元格结构（表面基元 结构，以区别于三维体相晶体结构中的元胞），发生相变，同时还会产生各种微观 缺陷。
4）由于表面存在不饱和价键，因此在化学上表现异常活泼，直接影响外来原 子或分子在固体表面上的吸附和催化反应。
总之，表面上质点的几何排列、电子结构、元素组成及化学状态与体相是完全 不同的，因而在宏观上显示出固体材料表面特有的物理化学现象，并表现出特殊的 物理化学性质。
06.02.2021
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3、固体的表面力场 1）化学力
不过，HF，H2O，NH3 等氢化物的分子量与相应同族氢化物相比要小， 但它们的熔、沸点则反常地高，其原因在于这些分子间存在氢键。
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4、固体表面结构
1）晶体表面结构 微观（原子尺度的超细结构）和宏观（表面几何状态）
（1）晶体表面的微细结构（离子晶体）
维尔威（Verwey）晶体表面结构学说: 新形成的理想表面由 于周期性重复排列中断而具有很高的表面能，体系不稳定，通 过自发地变化，来降低能量而趋于稳定。
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从实用技术学科角度考虑，表面是指结构、物性、质点（原子、分子、离子） 的能量状态和受力情况等与体相不相同的整个表面层,它的尺度范围常常随着客 观物体表面状况的不同而改变，也随着不同技术学科领域研究所感兴趣的表面 深度不同而给表面以不同尺度范围的划分。
第一章 表界面的物理化学
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，一般可分为四种吸附情况， 即顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附等。
（d）偏析表面 （d) 化合物表面
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表面结构 表面结构分类
驰豫：点阵常数变化，非平衡态； 重构：原子重排，不同于本体内的晶面； 台阶化：有规律的非完全平面结构；
第一章
表界面的物理化学
1
第一节 材料表面与界面的定义及分类
1. 什么是表面/界面
多相体系界面特征 （ 1 ）界面的物理化学性质 不均匀，而界面两侧的性质 保持常数； 体 系 性 质
（ 2）界面 γ为准三维界面区 域，有一定的体积；
（ 3 ）研究对象是不均匀体 系，具有多相性。
α
γ
β
多相体系影响因素
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表面和界面的定义
2. 表/界面分类
（2）根据研究角度和目的分类
以原子尺寸形 （ 3 ）按照界面形成途径分类 态从液相中或 （ a）机械作用界面 （e）液相与气相界面 气相 中 析出在 （ b）化学作用界面 （f）凝固共生界面 固态 表 面成核 （ c）熔焊作用界面 （g）粉末冶金界面 和生 长 ，形成 （d）固态结合界面 （h）粘接界面 膜体或块体。
(e) 中心长方 a≠b, γ= 90º
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二维晶体点阵
五种二维格子
元格形状 平行四边形 长方形 正方形 60o菱形 晶格符号 P P, C P 轴和夹角 ab, 90o ab, =90o a=b, =90o a=b, =120o 晶系名称 斜方 长方 正方 六角
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二维晶体点阵------点群（10）与空间群（17）
（d）偏析表面 （d) 化合物表面
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表面结构 表面结构分类
驰豫：点阵常数变化，非平衡态； 重构：原子重排，不同于本体内的晶面； 台阶化：有规律的非完全平面结构；
第一章
表界面的物理化学
1
第一节 材料表面与界面的定义及分类
1. 什么是表面/界面
多相体系界面特征 （ 1 ）界面的物理化学性质 不均匀，而界面两侧的性质 保持常数； 体 系 性 质
（ 2）界面 γ为准三维界面区 域，有一定的体积；
（ 3 ）研究对象是不均匀体 系，具有多相性。
α
γ
β
多相体系影响因素
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表面和界面的定义
2. 表/界面分类
（2）根据研究角度和目的分类
以原子尺寸形 （ 3 ）按照界面形成途径分类 态从液相中或 （ a）机械作用界面 （e）液相与气相界面 气相 中 析出在 （ b）化学作用界面 （f）凝固共生界面 固态 表 面成核 （ c）熔焊作用界面 （g）粉末冶金界面 和生 长 ，形成 （d）固态结合界面 （h）粘接界面 膜体或块体。
(e) 中心长方 a≠b, γ= 90º
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二维晶体点阵
五种二维格子
元格形状 平行四边形 长方形 正方形 60o菱形 晶格符号 P P, C P 轴和夹角 ab, 90o ab, =90o a=b, =90o a=b, =120o 晶系名称 斜方 长方 正方 六角
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二维晶体点阵------点群（10）与空间群（17）
第一章 固体表面讲解
用粘附功描述粘附程度：
WAB A B AB
表面污染影响很大。如铁若在水银中断裂，裂 开面可以再粘合起来，而在空气中就不行。
1.5.5 吸附对材料力学性能的影响—莱宾杰尔效应
由于环境介质的作用，材料的强度、塑性、耐磨性 等力学性能会下降。
原因
1. 不可逆物理过程效应 如：腐蚀不改变力学性能，通
5 一般表面
由于表面原子的能量处于非平衡状态，一般 会在固体表面吸附一层外来原子。
除Au以外，金属经机械加工后，在常温常压下会 发生氧化。因此，在固体表面会吸附一层外来原 子。氧化皮
大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对 表面进行预处理，清除掉表面的氧化皮，以便提 高覆层与基材的结合强度。
1.3、表面晶体结构
在表面科学中，任何一个二维周期结构的重复性 都可用一个二维布拉菲晶格(点阵)加上结点(阵点) 来描述。
实际表面结构并不是完整无缺的，存在着很多缺 陷。
典型的TLK模型分析：
考塞尔(Kossel)－斯特朗斯基(Stranski)表面晶 体结构物理模型 平台(Terrace)---台阶(Ledge)—扭折(Kink)模型
•气相外延，如化学气相沉积技术； •液相外延，如电化学等。
④化学键结合界面
覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定 的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界 面。如Ti合金表面气相沉积形成TiN和TiC薄膜。
特点
•结合强度较高，但界面的韧性较差， 易发生脆性断裂或剥落。
典型工艺
•物理和化学气相沉积、离子注入、 化学转化膜等技术
过减小尺寸使性能下降
2. 可逆物理和化学过程效应 使表面自由能下降，力学性能发 生变化－－莱宾杰尔效应
WAB A B AB
表面污染影响很大。如铁若在水银中断裂，裂 开面可以再粘合起来，而在空气中就不行。
1.5.5 吸附对材料力学性能的影响—莱宾杰尔效应
由于环境介质的作用，材料的强度、塑性、耐磨性 等力学性能会下降。
原因
1. 不可逆物理过程效应 如：腐蚀不改变力学性能，通
5 一般表面
由于表面原子的能量处于非平衡状态，一般 会在固体表面吸附一层外来原子。
除Au以外，金属经机械加工后，在常温常压下会 发生氧化。因此，在固体表面会吸附一层外来原 子。氧化皮
大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对 表面进行预处理，清除掉表面的氧化皮，以便提 高覆层与基材的结合强度。
1.3、表面晶体结构
在表面科学中，任何一个二维周期结构的重复性 都可用一个二维布拉菲晶格(点阵)加上结点(阵点) 来描述。
实际表面结构并不是完整无缺的，存在着很多缺 陷。
典型的TLK模型分析：
考塞尔(Kossel)－斯特朗斯基(Stranski)表面晶 体结构物理模型 平台(Terrace)---台阶(Ledge)—扭折(Kink)模型
•气相外延，如化学气相沉积技术； •液相外延，如电化学等。
④化学键结合界面
覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定 的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界 面。如Ti合金表面气相沉积形成TiN和TiC薄膜。
特点
•结合强度较高，但界面的韧性较差， 易发生脆性断裂或剥落。
典型工艺
•物理和化学气相沉积、离子注入、 化学转化膜等技术
过减小尺寸使性能下降
2. 可逆物理和化学过程效应 使表面自由能下降，力学性能发 生变化－－莱宾杰尔效应
41表面与界面
度的阶梯构成，使真实面积比理论面积大。 (3) 周围环境条件影响：固体和液体的表面能与温度、气
压、第二相的性质等条件有关。如温度上升，表面能下降。
1、离子晶体的表面结构
在固体表面力的作用下，离子晶体表面 结构发生怎样的变化？受哪些因素影响？
NaCl 晶 体
图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
说明：
1. 离子晶体MX在表面 力作用下，处于表面层 的负离子X在外侧不饱 和，负离子极化率大， 通过电子云拉向内侧正 离子一方的极化变形来 降低表面能。这一过程 称为松弛，它是瞬间完 成的，接着发生离子重 排。
Uis：第i个原子（离子）在晶体表面上和最邻近原子（离子） 的作用能；
nib：第i个原子（离子）在晶体内部时，最邻近原子（离子） 的数目（配位数）；
nis：第i个原子（离子）在晶体内部时，最邻近原子（离子） 的数目（配位数）；
0
LsU 0 N
(1
nis ) nib
r0 为0K时的表面能； LS 为1m2表面上的原子数； nis、nib分别表示第i个原子在晶体表面和晶体体内最 邻近的原子数;
色散力：位于凹谷深处的质点，其色散力最 大，凹谷面上和平面上次之，位于峰顶处则最小；
静电力：位于孤立峰顶处应最大，而凹谷深 处最小。
表面粗糙度：
(1) 使表面力场变得不均匀，其活性及其它表 面性质也随之发生变化。
(2) 直接影响固体表面积，内、外表面积比值 以及相关的属性。
(3) 与两种材料间的封接和结合界面间的啮合 和结合强度有关。
固体中表面力分为哪几类？
▲▲
表面力的分类：
(1) 化学力（长程力）：本质上是静电力
(2) 范得华力(分子引力)
压、第二相的性质等条件有关。如温度上升，表面能下降。
1、离子晶体的表面结构
在固体表面力的作用下，离子晶体表面 结构发生怎样的变化？受哪些因素影响？
NaCl 晶 体
图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
说明：
1. 离子晶体MX在表面 力作用下，处于表面层 的负离子X在外侧不饱 和，负离子极化率大， 通过电子云拉向内侧正 离子一方的极化变形来 降低表面能。这一过程 称为松弛，它是瞬间完 成的，接着发生离子重 排。
Uis：第i个原子（离子）在晶体表面上和最邻近原子（离子） 的作用能；
nib：第i个原子（离子）在晶体内部时，最邻近原子（离子） 的数目（配位数）；
nis：第i个原子（离子）在晶体内部时，最邻近原子（离子） 的数目（配位数）；
0
LsU 0 N
(1
nis ) nib
r0 为0K时的表面能； LS 为1m2表面上的原子数； nis、nib分别表示第i个原子在晶体表面和晶体体内最 邻近的原子数;
色散力：位于凹谷深处的质点，其色散力最 大，凹谷面上和平面上次之，位于峰顶处则最小；
静电力：位于孤立峰顶处应最大，而凹谷深 处最小。
表面粗糙度：
(1) 使表面力场变得不均匀，其活性及其它表 面性质也随之发生变化。
(2) 直接影响固体表面积，内、外表面积比值 以及相关的属性。
(3) 与两种材料间的封接和结合界面间的啮合 和结合强度有关。
固体中表面力分为哪几类？
▲▲
表面力的分类：
(1) 化学力（长程力）：本质上是静电力
(2) 范得华力(分子引力)
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材料表面与界面 Surface and Interface of Materials
May. 2015
References
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
interior
2. Ignoring the thermal motion, thermal diffusion and thermal defects etc. of the atoms at the surface;
3. Ignoring the external physical and chemical effects on the surface. The atomic sites and structure inside are infinitely periodic, and those on the surface are semi-infinitely periodic and exactly the same with those inside.
Methods for obtaining the clean surface:
① ② ③
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。
④
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。
18
Introduction (2)
Definition and classification of surface and interface:
The surface and interface is defined as a transition zone from a phase to another phase. (a) solid-gas surface
Based on the state of aggregation of substance：
(b) liquid-gas
(c) solid-liquid
(d) liquid-liquid
interface
(e) solid-solid
(a) Gas-Liquid Interface
(b) Gas-Solid Interface
Scientists at the University of California, Berkeley, have for the first time engineered 3-D materials that can reverse the natural direction of visible and nearinfrared light, a development that could help form the basis for higher
所谓超高真空（UHV）都是在10-9（托）以下。若在室温，真空度为
10-10（托）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。
完整的真空系统
热偶规
转盘
热偶规
分子束
UHV腔
机械泵
泄漏阀
B-A计
机械泵
Ti 泵
气 瓶
分子泵
热偶规
离子泵
机械泵
(1) ledge surface
The surface is composed of regular or irregular ledges.
晶面1
（平面）
晶面3 晶面2
（立面） （连接面）
[110]
[111]
⑤
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。
⑥
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（托，1 托 = 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。
Physical surface
Solid surface
Machined surface General/actual surface
1.1 Ideal surface
Surface
d Two-dimentional lattice plane with a theoretically complete structure 1. Ignoring the influence of the interruption of periodic potential inside at the surface of the crystal;
12
浙江大学研制的六边形柱状“隐身衣”
14
荷叶的表面结构：由微米级的乳突组成，乳突结构又由纳米级的精细 结构构成（见右图）该表面为超疏水特性
15
Surface structure of Shark Simulated shark’s surface was applied on airplane
The chemical composition of the clean surface is the same as that inside, while the structure could be different from inside. To obtain the clean surface, special methods are needed and the super-high vacuum of 1.33×10-10 Pa must be maintained at the same time.
resolution optical imaging, nanocircuits for high-powered computers, and, to the delight of science-fiction and fantasy buffs, cloaking devices that could render objects invisible to the human eye.
当真空度达到10-6 托左右，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。
Applications：
a. Components of aviation and aerospace b. Coatings for civil use c. Special surface and interface functional materials: biological surface and interface with special functions and micro-structure; superhydrophobic and super-hydrophilic materials.
Introduction (1)
Surface and interface play an important role in material science. Decisive influence on the over-all properties of materials. Phenomena or processing that connects to surface and interface: corrosion, ageing, hardening, damage, printing, film painting, bonding, synthesis etc.
Course requirements
Teaching method：Lecture+Discussion Time assignment：60%+40% Examination：Test 60%+oral presentation 40%
Outline
Introduction Chapter 1 Surface of solid Chapter 2 Crystallography of surface Chapter 3 Interface of solid Chapter 4 Interface of composite materials and optimization of their interface Chapter 5 Thermodynamics and kinetics of surface and interface Chapter 6 Analysis and characterization of surface
Ideal surface
Structure of ideal surface
1.2 Clean surface
Clean surface is referred to a surface on which physical and chemical effects such as adsorption, catalyzing reaction, impurity diffusion, etc., do not exist.
May. 2015
References
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
interior
2. Ignoring the thermal motion, thermal diffusion and thermal defects etc. of the atoms at the surface;
3. Ignoring the external physical and chemical effects on the surface. The atomic sites and structure inside are infinitely periodic, and those on the surface are semi-infinitely periodic and exactly the same with those inside.
Methods for obtaining the clean surface:
① ② ③
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。
④
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。
18
Introduction (2)
Definition and classification of surface and interface:
The surface and interface is defined as a transition zone from a phase to another phase. (a) solid-gas surface
Based on the state of aggregation of substance：
(b) liquid-gas
(c) solid-liquid
(d) liquid-liquid
interface
(e) solid-solid
(a) Gas-Liquid Interface
(b) Gas-Solid Interface
Scientists at the University of California, Berkeley, have for the first time engineered 3-D materials that can reverse the natural direction of visible and nearinfrared light, a development that could help form the basis for higher
所谓超高真空（UHV）都是在10-9（托）以下。若在室温，真空度为
10-10（托）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。
完整的真空系统
热偶规
转盘
热偶规
分子束
UHV腔
机械泵
泄漏阀
B-A计
机械泵
Ti 泵
气 瓶
分子泵
热偶规
离子泵
机械泵
(1) ledge surface
The surface is composed of regular or irregular ledges.
晶面1
（平面）
晶面3 晶面2
（立面） （连接面）
[110]
[111]
⑤
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。
⑥
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（托，1 托 = 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。
Physical surface
Solid surface
Machined surface General/actual surface
1.1 Ideal surface
Surface
d Two-dimentional lattice plane with a theoretically complete structure 1. Ignoring the influence of the interruption of periodic potential inside at the surface of the crystal;
12
浙江大学研制的六边形柱状“隐身衣”
14
荷叶的表面结构：由微米级的乳突组成，乳突结构又由纳米级的精细 结构构成（见右图）该表面为超疏水特性
15
Surface structure of Shark Simulated shark’s surface was applied on airplane
The chemical composition of the clean surface is the same as that inside, while the structure could be different from inside. To obtain the clean surface, special methods are needed and the super-high vacuum of 1.33×10-10 Pa must be maintained at the same time.
resolution optical imaging, nanocircuits for high-powered computers, and, to the delight of science-fiction and fantasy buffs, cloaking devices that could render objects invisible to the human eye.
当真空度达到10-6 托左右，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。
Applications：
a. Components of aviation and aerospace b. Coatings for civil use c. Special surface and interface functional materials: biological surface and interface with special functions and micro-structure; superhydrophobic and super-hydrophilic materials.
Introduction (1)
Surface and interface play an important role in material science. Decisive influence on the over-all properties of materials. Phenomena or processing that connects to surface and interface: corrosion, ageing, hardening, damage, printing, film painting, bonding, synthesis etc.
Course requirements
Teaching method：Lecture+Discussion Time assignment：60%+40% Examination：Test 60%+oral presentation 40%
Outline
Introduction Chapter 1 Surface of solid Chapter 2 Crystallography of surface Chapter 3 Interface of solid Chapter 4 Interface of composite materials and optimization of their interface Chapter 5 Thermodynamics and kinetics of surface and interface Chapter 6 Analysis and characterization of surface
Ideal surface
Structure of ideal surface
1.2 Clean surface
Clean surface is referred to a surface on which physical and chemical effects such as adsorption, catalyzing reaction, impurity diffusion, etc., do not exist.