材料表面与界面(全套215页PPT课件)
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材料的表面与界面
区局部融化，然后又迅速冷却而结晶，会造成了表面层约1微米范围内晶粒尺寸不均匀.
（2）贝尔比层：材料经抛光后，表面形成厚度约5-100nm的光亮而致密层，称为· 金属和合金的贝尔比层往往存在非晶、微晶和金属氧化物.贝尔比层坚硬并且具有 良好的耐腐蚀性. 机械加工后金属表面组织：氧化物层（10-100nm）-贝尔比层（5-100nm）-严重 畸变区（1-2μ m）-强烈畸变区-轻微畸变区
通过晶格的收缩或扩张而形成特殊排列的位错作为两相的过渡区.过渡区的位错称为失配位错.
多晶材料中的界面；（1）多晶材料中的相平衡 两个非共格相界的平衡： ①120︒<ψ <180︒时，第二相在母相中呈圆形，对母相不润湿，呈柱状分布； ②60︒<ψ <120︒时，第二相在母相三晶粒交界处沿晶界部分渗入； ③0︒<ψ <60︒时，第二相在母相三晶粒交界处形成三角状，随二面角减小铺展的越开； ④ψ =0︒时，第二相在母相的晶界区铺开；
旋转对称：旋转角θ =2π /n,n为正整数，称为旋转对称的滑移群：对某一直线作镜像反应后，再沿此线平行方向滑移 半个平移基失.镜像滑移群+点群→17种对称群，称为二位空间群. 原子的表面密度：单胞中某一表面上原子的总面积与该表面积之比.ρ =Aa/As （2）清洁表面：在真空中分开晶体，或将已有表面在真空中经过离子轰击、高温 脱附后得到的表面，这种表面没有吸附其它异类原子，只存在表面原子的排列变化 ①表面重构：形成晶体表面的悬空键的存在，使其处于高能不稳定状态，为了降低 表面自由能，表面原子的位置必然发生变化，这种变化的结果，使得表面原子的 平移对称性与理想表面显著不同，这种表面变化称为表面重构. ②表面弛豫：为了降低体系能量，表面上的原子会发生相对正常位置的上或者下 位移，表面原子的这种位移称为表面弛豫.其显著特征是表面第一层原子和第二层 原子之间的距离改变，越深入体相，弛豫效应越弱，并迅速消失. ③表面台阶结构：存在各种各样的缺陷：TLK模型，T指平台，L表示单原子高度的 台阶，K表示单原子尺度的扭折. （3）吸附表面：除了表面原子几何位置发生变化外，还通过吸附外来原子来降低 表面自由能.包括物理吸附(弱、快、无选择性)和化学吸附（强、慢、选择性）. 表面热力学：①表面自由能：自由能极图 ②表面自由能的各向异性影响因素：a.键能Eb； b.单位面积键的数量 ③晶体的稳定形状：表面自由能趋向最小，所以对于各向同性的液体来说，形状 总是趋于球形.定义体积恒定情况下表面自由能最小的形状为平衡形状. 对于各向异性的晶体来说，晶体的平衡形状就是自由能极图的最大内接多边形 实际表面：①表面粗糙度（表面不平整程度小于1mm时）R=Ar/Ag Ag为几何表面积；Ar为包括内表面在内的实际表面积 ②表面杂质的偏析（表面杂质浓度比体内大时）与耗尽（表面浓度比体内小时） 如果杂质原子在表面能使表面自由能降低，则形成偏析，反之形成耗尽； 由热力学条件得出、且偏析尺度为原子尺度（纳米级），称为平衡偏析； 实际上表面的偏析主要发生在几十纳米到几个微米的范围，这种偏析为非平衡 偏析，原因：表面区内存在许多空位、晶格畸变等缺陷，它们形成了明显的应力 场，并引起相应的畸变能，与主成分原子半径不同的各种杂质，进入畸变区域后， 将有利于畸变能的减少，使表面自由能降低，故形成各种非平衡偏析. ③金属与合金的表面组织受环境温度、氧气分压、合金组分浓度等的影响； 表面组织： （1）表面层晶粒尺寸变化：在切磨、抛光等机械加工时，产生大量的热，使表面
（2）贝尔比层：材料经抛光后，表面形成厚度约5-100nm的光亮而致密层，称为· 金属和合金的贝尔比层往往存在非晶、微晶和金属氧化物.贝尔比层坚硬并且具有 良好的耐腐蚀性. 机械加工后金属表面组织：氧化物层（10-100nm）-贝尔比层（5-100nm）-严重 畸变区（1-2μ m）-强烈畸变区-轻微畸变区
通过晶格的收缩或扩张而形成特殊排列的位错作为两相的过渡区.过渡区的位错称为失配位错.
多晶材料中的界面；（1）多晶材料中的相平衡 两个非共格相界的平衡： ①120︒<ψ <180︒时，第二相在母相中呈圆形，对母相不润湿，呈柱状分布； ②60︒<ψ <120︒时，第二相在母相三晶粒交界处沿晶界部分渗入； ③0︒<ψ <60︒时，第二相在母相三晶粒交界处形成三角状，随二面角减小铺展的越开； ④ψ =0︒时，第二相在母相的晶界区铺开；
旋转对称：旋转角θ =2π /n,n为正整数，称为旋转对称的滑移群：对某一直线作镜像反应后，再沿此线平行方向滑移 半个平移基失.镜像滑移群+点群→17种对称群，称为二位空间群. 原子的表面密度：单胞中某一表面上原子的总面积与该表面积之比.ρ =Aa/As （2）清洁表面：在真空中分开晶体，或将已有表面在真空中经过离子轰击、高温 脱附后得到的表面，这种表面没有吸附其它异类原子，只存在表面原子的排列变化 ①表面重构：形成晶体表面的悬空键的存在，使其处于高能不稳定状态，为了降低 表面自由能，表面原子的位置必然发生变化，这种变化的结果，使得表面原子的 平移对称性与理想表面显著不同，这种表面变化称为表面重构. ②表面弛豫：为了降低体系能量，表面上的原子会发生相对正常位置的上或者下 位移，表面原子的这种位移称为表面弛豫.其显著特征是表面第一层原子和第二层 原子之间的距离改变，越深入体相，弛豫效应越弱，并迅速消失. ③表面台阶结构：存在各种各样的缺陷：TLK模型，T指平台，L表示单原子高度的 台阶，K表示单原子尺度的扭折. （3）吸附表面：除了表面原子几何位置发生变化外，还通过吸附外来原子来降低 表面自由能.包括物理吸附(弱、快、无选择性)和化学吸附（强、慢、选择性）. 表面热力学：①表面自由能：自由能极图 ②表面自由能的各向异性影响因素：a.键能Eb； b.单位面积键的数量 ③晶体的稳定形状：表面自由能趋向最小，所以对于各向同性的液体来说，形状 总是趋于球形.定义体积恒定情况下表面自由能最小的形状为平衡形状. 对于各向异性的晶体来说，晶体的平衡形状就是自由能极图的最大内接多边形 实际表面：①表面粗糙度（表面不平整程度小于1mm时）R=Ar/Ag Ag为几何表面积；Ar为包括内表面在内的实际表面积 ②表面杂质的偏析（表面杂质浓度比体内大时）与耗尽（表面浓度比体内小时） 如果杂质原子在表面能使表面自由能降低，则形成偏析，反之形成耗尽； 由热力学条件得出、且偏析尺度为原子尺度（纳米级），称为平衡偏析； 实际上表面的偏析主要发生在几十纳米到几个微米的范围，这种偏析为非平衡 偏析，原因：表面区内存在许多空位、晶格畸变等缺陷，它们形成了明显的应力 场，并引起相应的畸变能，与主成分原子半径不同的各种杂质，进入畸变区域后， 将有利于畸变能的减少，使表面自由能降低，故形成各种非平衡偏析. ③金属与合金的表面组织受环境温度、氧气分压、合金组分浓度等的影响； 表面组织： （1）表面层晶粒尺寸变化：在切磨、抛光等机械加工时，产生大量的热，使表面
《表面与界面》PPT课件
〔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
《表面与界面》PPT课件
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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。
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
材料表面与界面(精心)优秀课件
对各向同性材料，上式可写为：
f
19
2．固体表面 2.1 表面结构的驰豫与重构 －表面力使系统表面处于高能态。 液体以降低表面积来降低系统的表面能； 固体以离子重排、变形、极化、晶格畸变来降 低表面能。
－理想表面：体内结构不变地延续到表面层， 是理论完整的二维点阵平面。
－真实清洁表面：有表面结构的弛豫和重构。
wσ
d dwσ
A
dA
U形液膜模型有：
dw fdx l dx f l f
l
11
由热力学知:
dF SdT PdV dA
F ( A )T ,V
dG SdT VdP dA
( G A
)T ,P
由以上得出液体表面张力：
①恒温恒容或恒温恒压下形成单位表面的自
由能变化（J/m2） ②界面所具有的单位长度上的收缩力 （N/m）
20
－表面结构弛豫： 在几个原子层范围上点阵参数与体内有差异， 特别表现在垂直于表面原子层方向上的变化， 即法向弛豫。
驰豫表面示意图
21
－表面重构：表面层的晶体结构和体内不 同。
重构表面示意图
22
－极化重排:离子晶体在表面力作用下，离子 发生极化与重排形成表面双电层。导致表面 层离子键性消弱，共价键性增强，组成上倾 向于非化学计量，使晶体表面能更为稳定。
dA A ij d ij
式中：δ 为克罗内克符号。
ij
（实际上剪切应变不改变面积）
得到：
A ij d ij Ad Afij d ij
f ij
ij
ij
18
f xx
d d xx
f yy
d d yy
f xy
d d xy
《复合材料原理》表面与界面基础 ppt课件
ppt课件 12
2. 表面与界面热力学
2.2 固体表面热力学
固体表面张力 =(1+2)/2 1 2表面应力 表面应力，单位长度力
力学定义 固体表面张力 1=2 各相同性 12 各向异性 对于某各向异性的固体，在二维方向上面积 各增加dA1和dA2 d(A1GS)= 1 dA1 d(A2GS)= 2 dA2
ZZdZ时：曲面面积变化为：
y
y+dy
A＝(x+dx)(y+dy)-xy=xdy+ydx
新增加的表面能为： A＝ (xdy+ydx)
P所做的膨胀功为 P.x.y.dz
平衡时有： （xdy+ydx）=Pxydz
ppt课件 29
3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程
3. 表面与界面效应
3.2 Kelvin方程
p M 1 1 ln( ) ( ) p0 RT r1 r2
当r1=r2
弯曲表面上的蒸汽压
r1=R1
r2=R2 Kelvin
p 2 M ln( ) p0 rRT
1 1 P ( ) r1 r2
当r1=r2
ppt课件
1 1 P ( ) R1 R2
ppt课件
y
y+dy
30
3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程
弯曲表面下的附加压力
平表面：R1 R2 △P=0 毛细管：R1=R2=R/ △P根据曲面方向分为： 毛细上升 毛细下降 l 为液体的密度; s 为气体的密度 因l>>g所以：2/R'=lgh
生物材料的表面与界面材料表界面ppt课件
3.3 生物相容性的研究意义
生物相容性是生物材料极其重要的性能，是区 别于其他材料的标志，是生物医用材料能否安 全使用的关键性能。
控制和改善生物材料的表面性质，是促进材料 表面与生物体间的有利相互作用、抑制不利相 互作用的关键途径。
如何提高材料的生物相容性
？
生物材料的表面工程是一种非常重要的方法！
国内从事生物材料表界面研究的课题组
生物材料的表面改性与功能化；
蛋白质、细胞与材料表面的相互作用；
苏州大学陈红教授课题组
➢Combining surface topography wi生 polymer chemistry: exploring new interfacial biological phenomena. Polym. Chem., 2013, DOI: 10.1039/C3PY00739A ➢Aptamer-Modified Micro/Nanostructured Surfaces: Efficient Capture of Ramos Cells in Serum Environment. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 3816.
第一部分：生物材料表界面学科的诞生
1. 生物材料的概念（Biomaterials):
与生物体相接触的、或移入生物体内起某种取代、 修复活组织，增进或恢复其功能的特殊材料。
2. 生物材料的发展阶段
➢最初：一些临床应用的生物材料并不专门针对医用设计 （实现基本临床功能，也带来了不良的生物反应)
➢20世纪60-70年代：第一代生物材料（惰性生物材料） （物理性能适宜、对宿主反应较小；寿命延长5-25年）
其他领域的表面工 程技术和材料引入 生物材料领域或基 于体内物质的初步 模仿
第四章 材料的表面与界面
第四章 材料的表面与界面表面与界面的概念：固体的表面现象与液体相似，通常把一个相和它本身蒸气（或真空）接触的分界面称为表面。
一个相与另一相（结构不同）接触的分界面称为界面。
固体的表面力：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，质点排列的周期性重复中断，使处于表面边界上的质点力场对称性被破坏，表现出剩余的键力，这就是固体的表面力。
表面力的存在使固体表面处于较高的能量状态。
表面的结构：晶体由于质点不能自由流动，只能借助离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来降低表面能，这样就造成表面层与内部结构的差异。
离子晶体(MX 型)在表面力作用下，处于表面层的负离子(X －)只受到上下和内侧正离子(M +)的作用，而外侧是不饱和的，该负离子通过极化变形来降低表面能，这一过程称为松驰，松驰在瞬间即可完成，其结果改变了表面层的键性。
接着是发生离子重排过程。
从晶格点阵排列的稳定性考虑，作用力较大、极化率小的正离子应处于稳定的晶格位置。
为降低表面能，各离子周围作用能应尽量趋于对称，从而形成表面双电层。
而产生这种变化的程度主要取决于离子极化性能，对于PbI2、PbF2、BaSO4、SrSO4、CaF2，PbI 2表面能最小，CaF 2最大。
这是因为Pb 2+和I －都具有最大的极化性能，双电层厚导致表面能和硬度都降低。
固体的表面能：表面能的含义是每增加单位表面积时，体系自由能的增量。
固体的表面能可以通过实验测定或理论计算法来确定。
1. 共价键晶体表面能共价键晶体不必考虑长程力的作用，表面能(u s )即是破坏单位面积上的全部键所需能量之一半。
b s u u 21= 式中：u b 为破坏化学键所需能量。
2. 离子晶体的表面能每一个晶体的自由能都是由两部分组成：体积自由能和一个附加的过剩界面自由能。
为了计算固体的表面自由能，我们取真空中绝对零度下一个晶体的表面模型，并计算晶体中一个原子(或离子)移到晶体表面时自由能的变化。
h8-材料表面与界面ppt课件
不等于外表自在能； 2〕固体的外表上的原子组成和陈列是各向异性的，张力
是各向异性的，不同晶面的外表自在能也不一样。 3〕实践固体的外表绝大多数处于非平衡形状，决议固体
外表形状的主要是构成固体外表时的条件以及它所阅 历的历史。 4〕固体的外表自在能和外表张力的测定非常困难。
8.1.4 固液界面与润湿 机械光滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、 陶瓷/金属的封接等工艺和实际都与润湿过程有关。 润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯 自在能降低，称为润湿。
Ea E1Eg
8.3.2 晶界迁移 晶界迁移 — 晶界在其法线上的位移，从微观上看，是经 过晶粒边缘上的原子向其临近晶粒的跳动实现的 典型情况：晶粒长大过程；相变过程。
● 影响晶界迁移的主要要素 ● 溶质或杂质原子 -- 降低迁移率，与晶界偏析、晶界构造有关。 ● 晶界第二相颗粒 -- 妨碍作用，晶界脱离第二相颗粒的
8.3 界面的偏聚与迁移
8.3.1 晶界平衡偏析 ● 晶界偏析：在平衡条件下，溶质原子〔离子〕在晶界处
浓度偏离平均浓度。
● 偏析的自发趋势：晶界构造缺陷比晶内多，溶质原子 〔离子〕处于晶内的能量比处在晶界的能量高，经过偏析
使系统能量降低。
● 偏析驱动力是内能差：设一个原子位于晶内和晶界的内 能分别为El 和Eg ，那么偏析的驱动力为：
➢ 传送作用：界面能传送力，即将外力传送给加强物，起到 基体和加强体之间的桥梁作用
➢ 阻断作用：结适宜当的界面有阻止裂纹扩展、中断资料破 坏、减缓应力集中的作用
➢ 维护作用：界面相可以维护加强体免受环境的侵蚀，防止 基体与加强体之间的化学反响，起到维护加强体的作用。
本章重点
➢ 1、掌握固体外表的定义、物质的外表的类型 ➢ 2、固体外表自在能和外表张力；与液态相比，固体外表张
是各向异性的，不同晶面的外表自在能也不一样。 3〕实践固体的外表绝大多数处于非平衡形状，决议固体
外表形状的主要是构成固体外表时的条件以及它所阅 历的历史。 4〕固体的外表自在能和外表张力的测定非常困难。
8.1.4 固液界面与润湿 机械光滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、 陶瓷/金属的封接等工艺和实际都与润湿过程有关。 润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯 自在能降低，称为润湿。
Ea E1Eg
8.3.2 晶界迁移 晶界迁移 — 晶界在其法线上的位移，从微观上看，是经 过晶粒边缘上的原子向其临近晶粒的跳动实现的 典型情况：晶粒长大过程；相变过程。
● 影响晶界迁移的主要要素 ● 溶质或杂质原子 -- 降低迁移率，与晶界偏析、晶界构造有关。 ● 晶界第二相颗粒 -- 妨碍作用，晶界脱离第二相颗粒的
8.3 界面的偏聚与迁移
8.3.1 晶界平衡偏析 ● 晶界偏析：在平衡条件下，溶质原子〔离子〕在晶界处
浓度偏离平均浓度。
● 偏析的自发趋势：晶界构造缺陷比晶内多，溶质原子 〔离子〕处于晶内的能量比处在晶界的能量高，经过偏析
使系统能量降低。
● 偏析驱动力是内能差：设一个原子位于晶内和晶界的内 能分别为El 和Eg ，那么偏析的驱动力为：
➢ 传送作用：界面能传送力，即将外力传送给加强物，起到 基体和加强体之间的桥梁作用
➢ 阻断作用：结适宜当的界面有阻止裂纹扩展、中断资料破 坏、减缓应力集中的作用
➢ 维护作用：界面相可以维护加强体免受环境的侵蚀，防止 基体与加强体之间的化学反响，起到维护加强体的作用。
本章重点
➢ 1、掌握固体外表的定义、物质的外表的类型 ➢ 2、固体外表自在能和外表张力；与液态相比，固体外表张
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1.4 表面原子结构对材料科学与工程的作用
功能薄膜的外延生长
•功能材料(光、电等)一般都各向异性；晶态时性能指标最佳； •薄膜器件和集成电路需要材料薄膜化；最理想是形成单晶薄
膜。
•在一种单晶表面上生长出单薄膜称为外延生长。表面上能否
生长成一层单晶薄膜极大地取决于表面晶面的晶格常数和缺陷。
第二节 实际表面
•结晶学上的概念和规则，二维格子中都适用。但由
于维数减少，相应的复杂性也减少，即点群(324)、 空间群数(230 16)和布拉伐格子(14 5)。
伍德标记法
• 当体内原子的排列，即衬底晶面晶格平移对称性可表示为
T=n1a1+n2a2
•表面晶格平移对称性为 Ts=n1'as1+n2'as2
•表面原子的排列是由原子内部排列转化而来，因此表面原子
热处理后的单晶表面。
•由于原子在体内部和在表面受到力不
同，则引起表面原子的排列与内部有 较为明显的差别。
•这种差异经过4～6层之后，原子的排
列与体内已相当接近，这个距离也可 以看作是实际清洁表面的范围。
1.1 描述清洁表面原子排列结构的符号
•表面原子的排列方式虽然与体内有差别, 但表面原子
仍作对称和周期性的排列，常看成是二维格子。
•表面弛豫后常会存在电矩(电偶极子)。
(2) 重构
•当表面原子排列作了较大幅度的调整，与衬底晶面原子的
平移对称性有明显不同，这种表面结构称重构。
•重构有两类情况：(a)表面晶面与体内完全不一样，称超晶
格或超结构。(表面原胞的尺寸大于体内，即晶格常数增大。
超结构示意图
金(110)表面(1 ×2)重构的高分辨电子显微像
几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图
(1) 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, 这种情况称弛豫。
•离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，
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。
1.3 清洁表面的缺陷
从热力学上来分析，清洁表面必然存在有各种类型的表面缺陷。
(1) TLK表面模型 由LEED等表面分析结果证实，许多单晶体的表面实际上不是 原子级的平坦, 而是如图所示的情形。
台级
台级上的扭折
L- 台 级 ， T- 平 台 ， K- 台 级 处 的 扭 折 ， Suv-表面空位，SLv-台级处空位，SuA-表 面自吸附原子，SLA-台级处自吸附原子
•在材料实际应用过程中，材料表面是要经过一定加工处理
(切割、研磨、抛光等), 材料又在大气环境(也可能在低真空 或高温)下使用。材料可能是单晶、多晶、非晶体。这类材 料的表面称为实际表面。
•实际表面中主要关心的是nm~m级范围内原子排列所形成
表面结构特征。材料表面的微结构(组织)、化学成分、形貌、 不同形态(形状)材料表面的特点。
对于一些多晶材料、薄膜材料以及有孔的材料，它们形状 复杂, 除了外表面外还有内表面。一般采用粗糙系数R来表 示。
R = Ar/Ag
式中Ag 为几何表面， Ar 为实际表面。 Ar一般是通过吸附 试验按照吸附公式计算出来的。如果表面不平整, 而且有 孔， Ar就大, R也就大。
2.l 表面粗糙度
•衡量表面平整程度时，当波距小于1mm时，表面出现
的不平整性称为表面粗糙度。
不同尺寸下观察表面平整性
(1) 表面粗糙度定量值
• 当比较不同表面粗糙程度的大小时，需要有定量或测量粗
糙程度的方法。
•测量方法：选用一条轮廓中线(m), 中线是一条理想的线，
在此线上粗糙度为零。
(a) 轮廓算术平均偏差Ra. 在取样长度l内, 测量表面上一些点距中线m的距离y1, y2, …, yn, 取其绝对值的算术平均值。
的排列与内部有一定关联。
•一般来说a1，a2与as1, as2之间有一定的关系 as1 =pa1 as2=qa2
•如果as1和as2间的夹角同a1和a2的夹角一样，表面原子的排
列形式转过一个角度α，则伍德简式符号的表示为
R ( hkl ) a s1 a s2 D
a1
a2
•伍德简式符号的表示为：
y7
y1
y8
y2
y3 y4 y5
y6
yi
公式表示为：
R a
1 l
l 0
y dx
其近似表达式为
n
Ra
i 1
yi n
(b) 微观不平整十点高度Rz 在取样长度内, 从平行于中线的任何一条线起, 到被测量轮廓 的五个最高峰(yp1, yp2, ..., yp5)与五个最低谷(yv1, yv2, ..., yv5)平 均值之和
(2)点缺陷
在平台上可能存在各种点缺陷，最为普遍的就是吸附(或偏析) 的外来杂质原子。
由于有表面能，表面原子的活动能力较体内大, 形成点缺陷 的 能量小。因此表面上的热平衡点缺陷浓度远大于体内。
表面上的正负离子空位对、空位团簇、杂质空位对(团)也是一 种表面点缺陷。
(3)线缺陷
位错往往要在表面露头, 可以将它看作是直径为原子尺寸的一 根管道, 从体内通到表面。如果是螺位错, 则在表面形成一个小 台阶。
第一章 表面与界面的原子结构
第一节 清洁表面
•在实际条件下，材料表面受到各方面因素影响，从而
使表面在结构上、组成上发生改变。
•为了研究材料的本征表面特性，清洁表面才能用来进
行研究。
•清洁表面是相经过特殊处理(即保证组成上的确定性)
后，保持在超高真空下的表面(即保证表面不随时间而 改变)。
•一般清洁表面是指经离子轰击加退火
Ni(001) 2 2 45 S
1.2 清洁表面的原子排列
•由于表面排列突然发生中断，表面原子受力(化学键)情况发
生变化，总效应是增大体系的自由能。
•为了降低体系能量(减小表面能)，表面附近原子的排列必须
进行调整。
•调整的方式有两种：
(1)自行调整, 表面处原子排列与内部有明显不同； (2)靠外来因素, 如吸附杂质, 生成新相等。
yp1
yp1
yp3
ypi
yv1
yv2 yv3 yv4
yv5
yvi
5
5
/ y / pi / y / vi
R z i1
i1
5
(c) 轮廓最大高度Ry 在取样长度内，除去个别明显的偏离值之后，过最高峰 和最低谷，分别作平行于中线的平行线，这两条平行线 间的距离称轮廓最大高度，以Ry表示。
Ry
(2) 表面粗糙系数R