材料表面与界面 5 图文
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材料表面与界面5-1
Si O Si O Si O Si O
OH
8.3.体相改性
只讨论聚合物表面结构的影响 8.3.1共混物表面 1）表面张力影响 PS /d-PS共混体系 66%/ 33% PS /d-PS成分完全一样
γ d − PS − γ PS = −7.8 ×102 mJ / m 2
184℃退火
d-PS 45天
功效： 1）材料表面分子键断裂 2）引入含氧基团 表面能增加，接触角减小 应用： 聚合物薄膜 特别是<1mm的薄膜
影响因素：
①电压
一般电压升高，处理效果增强 处理材料表面的厚度决定电压 薄膜一般在15kV
②电流 输出电流增加，处理效果增强。 当输出电流达到某临界值后,电晕处 理的效果增加不多
聚乙烯表面处理输出电流与聚乙烯表面张力的关系
磨性、生物相容性
2）气相沉积
贱射：离子束等轰击金属表面，使金 属原子蒸发，然后沉积到材料表 面上 物理蒸气沉积（PVD）： 加热或贱射使金属原子蒸发，然 后沉积到材料表面上 化学蒸气沉积（CVD）： 将金属氧化物还原成金属原子， 然后沉积到材料表面上
8.2.化学方法改性
8.2.1表面化学反应 1）固液界面反应 成熟技术：含氟化合物表面处理 方法：萘——Na 氨——Na 溶液浸泡
PVME MWps 517~127000 MWpvme 99000
MWps
3）成型条件影响 PVC /PMMA共混体系
γ PVC = 41.9
THF为溶剂 MEK为溶剂
γ PMMA = 41.2
非均相膜 均相膜 PMMA表面富集 PMMA表面微富集
8.3.2嵌段共聚物表面 嵌段共聚物形态 <20% 球状 20～40％ 圆柱状 40～60％ 层状 1）组分表面张力影响 PS －PDMS嵌段共聚物
5表面与界面
不同于体内，但在垂直方向上的层间
间距d0与体内相同。
内部
d0
在平行基底的表面上，原子的平移对称性 与体内显著不同。 当表面吸附外来原子使悬挂键饱和时，重构必然发生
说明：
1. MX离子晶体在表面力作 用下，处于表面层的负离子 X在外侧不饱和，负离子半 径大，极化率大，容易极化 形成偶极子。而偶极子的正 电荷端受内部阳离子的排斥， 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
点缺陷为填隙 原子时，形成 插入型层错
图5.13 金刚石结构(110)投影面上的(a)抽出型层错和(b)插入型层错
30
5.2.2 孪晶界面
孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶 面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”， 此公共晶面就称孪晶面。
孪晶界可分为两类，即共格孪晶界和非共格孪晶界
650kg的水 升高一度的能量
► 表面与界面的组成和结构对其性能有着重要 的影响。
突出作用：薄膜与多层膜、超晶格、超细微粒与纳 米材料等新材料 物理性质：熔点、蒸汽压、溶解度、吸附、润湿和 烧结等（微小晶体蒸汽压增大、熔点降低、溶解度 增加，表面上存在着吸附等现象） 化学性质：化学活性、催化、固相反应等（反应能 力增加、存在表面化学反应等）
（3）静电力：在二相表面间产生的库仑作用力。 一个不带电的颗粒，只要它的介电常数比周围的介质 大，就会被另一个带电颗粒吸引。 （4）毛细管表面力：在二个表面间存在液相时产 生的一种引力。粉体表面吸水并产生毛细管力，会立 即粘结成块。 （5）接触力：短程表面力也称接触力，是表面间 距离非常近时，表面上的原子之间形成化学键或氢键。 表面力对材料工程有重要影响：石墨浆料 陶瓷烧结
第五章
表面与界面
材料表面与界面 第5章 胶体
第五章 胶体
胶体是一定分散范围内物质存在的一种状态， 而不是物质固有的特性。
胶体是高度分散的体系，具有很大的表面积
有扩散慢和不能透过半透膜，推断不是以小 分子而是以大粒子形式分散在介质中
胶体粒子在重力场重不沉降或沉降速度极慢， 推断分散质点不会太大，约1nm-1μm
5.1 什么是胶体？
将一把泥土放入水中
• Brown 运动 • 胶粒的扩散 • 溶胶的渗透压 • 沉降平衡 • 高度分布定律
Brown运动 (Brownian motion)
1827 年植物 学家布朗 （Brown)用显微 镜观察到悬浮在 液面上的花粉粉 末不断地作不规 则的运动。
粒子越小，布朗运动越激烈。当 半径大于5 m，Brown运动消
影响粘土结合水量的因素有粘土矿物组成、粘土 分散度、粘土吸附阳离子种类等。
粘土与水结合情况示意图
三 、粘土胶体的电动电位 （1）电动性质：在电场或其他力场作用下，固体
颗粒或液相相对另一相作相对位移时所表现出来的电 学性质。
（2）扩散双电层的形成 a、吸附层：在外电场作用下，被粘土质点牢固
吸附的水化阳离子层。 这一层随粘土质点一起向正极移动 b、扩散层：吸附层以外的、定向程度较差的水
胶团(电中性)
胶核 胶粒状对胶体性质有重 要影响。
质点为球形的，流动性较好；若为带状的， 则流动性较差，易产生触变现象。
胶粒的形状
例如：（1）聚苯乙烯胶乳是球形质点 （2） V2O5 溶胶是带状的质点 （3） Fe(OH)3 溶胶是丝状的质点
5.2 溶胶的动力性质
续的网状骨架，骨架孔隙中充有液体或者气体，凝胶中分散相的含 量很低，一般在1-3%之间
溶胶是由孤立的细小粒子或者大分子 组成，分散在液体中的胶体体系，液 体一般为水或乙醇。
胶体是一定分散范围内物质存在的一种状态， 而不是物质固有的特性。
胶体是高度分散的体系，具有很大的表面积
有扩散慢和不能透过半透膜，推断不是以小 分子而是以大粒子形式分散在介质中
胶体粒子在重力场重不沉降或沉降速度极慢， 推断分散质点不会太大，约1nm-1μm
5.1 什么是胶体？
将一把泥土放入水中
• Brown 运动 • 胶粒的扩散 • 溶胶的渗透压 • 沉降平衡 • 高度分布定律
Brown运动 (Brownian motion)
1827 年植物 学家布朗 （Brown)用显微 镜观察到悬浮在 液面上的花粉粉 末不断地作不规 则的运动。
粒子越小，布朗运动越激烈。当 半径大于5 m，Brown运动消
影响粘土结合水量的因素有粘土矿物组成、粘土 分散度、粘土吸附阳离子种类等。
粘土与水结合情况示意图
三 、粘土胶体的电动电位 （1）电动性质：在电场或其他力场作用下，固体
颗粒或液相相对另一相作相对位移时所表现出来的电 学性质。
（2）扩散双电层的形成 a、吸附层：在外电场作用下，被粘土质点牢固
吸附的水化阳离子层。 这一层随粘土质点一起向正极移动 b、扩散层：吸附层以外的、定向程度较差的水
胶团(电中性)
胶核 胶粒状对胶体性质有重 要影响。
质点为球形的，流动性较好；若为带状的， 则流动性较差，易产生触变现象。
胶粒的形状
例如：（1）聚苯乙烯胶乳是球形质点 （2） V2O5 溶胶是带状的质点 （3） Fe(OH)3 溶胶是丝状的质点
5.2 溶胶的动力性质
续的网状骨架，骨架孔隙中充有液体或者气体，凝胶中分散相的含 量很低，一般在1-3%之间
溶胶是由孤立的细小粒子或者大分子 组成，分散在液体中的胶体体系，液 体一般为水或乙醇。
材料表面与界面 第五章 表界面热力学与动力学
Wc＝2γa 或 Wc＝2γb
3 ( a b ) 4
1 Wab ( a b ) 2
由上式可以看出，Wc＞Wab，即相同物质间的摩擦要大于 不同物质间的摩擦。
固体的表面自由能和表面张力 与液体相比： (1) 固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数值上不 等于表面自由能； (2) 固体的表面张力是各向异性的。 (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) 固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。
如果在活动边框上挂一重物，使 重物质量W2与边框质量W1所产 生的重力F与总的表面张力大小 相等方向相反，则金属丝不再滑 动。
F 2 l
l 是滑动边的长度，因膜有两个面， 所以边界总长度为2l， 就是作用 于单位边界上的表面张力。
在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张 力，这种力垂直于表面的边界，指向液体方向并 与表面相切。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 或 表示。 表面张力的单位是：
表面自由能定义
G ( )T , P ,nB As
其物理意义是在等温等压以及恒组成条件下,每增加 单位表面时系统吉布斯自由能的增加
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
又可称为表面Gibbs自由能
2
表面自由能的单位： J m
表面张力 （surface tension）
表面自由能 (surface free energy)
界面能
实验证明，界面能 γab约为 1/4～1/2(γa＋γb)。如果a、 b两物质 能相互溶解或能形成金属间化合物，其界面能较小，约为
1 ( a b ) 4
若a、b 两物质不能相互溶解，其界面能较大，约为 a、b为同一物质 a、b相互溶解 a、b不能相互溶解
材料物理化学-第五章 表面与界面
us
ub—破坏化学键所需能量 us—表面能 ⑵离子晶体的表面能
0
1 2
ub
L sU N
0
(1
n is n ib
)
r0—0K时的表面能； LS—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; Uo—晶格能； N—为阿佛加德罗常数。 说明： 实际表面能比理想表面能的值低，原因可能为： (1)可能是表面层的结构与晶体内部相比发生了改变，表面被可极化的氧离子所屏 蔽，减少 了表面上的原子数。 (2)可能是自由表面不是理想的平面，而是由许多原子尺度的阶梯构成，使真实面积比理论 面积大。
材料物理化学
湖南工学院
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。 （2）表面力的分类： 1.长程力：作用范围较范德华力大得多，两相分子间的分子引力，实质是范德华力。 2.范德华力：A-静电力（极性分子之间）；B 诱导力（极性与非极性分子）；C 色散力 （非极性分子之间） 5.1.2 晶体表面结构 晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经历4-6个原子层之后才与体内 基本相同，晶体表面实际上只有几个原子层范围。在晶体内部质点处在一个对称立场，但在 晶体表面表现出剩余的键力，即固体的表面力。液体通过改变表面的形状，力图形成球形表 面来降低系统的表面能；晶体质点不能自由流动，只能借助于晶体表面结构的改变来降低表 面能。 降低表面能一般有两种方法： 1.表面质点自行调整 ⑴将低表面能的晶体暴露在表面上 ⑵通过表面弛豫 ⑶通过表面重构 2.表面的成分偏析和表面对外来原子的的吸附以及这两种的相互作用 一、晶体表面的微观排列状态（维尔威结构学说） 1.弛豫过程：表面层负电子外侧不饱和，电子云将被拉向内侧正离子一方，极化变形，通过 电子云极化变形来降低表面能过程（瞬间完成改变表面层键性）。见P149 图5.4 2.重排过程：晶格必须稳定，作用力大，极化率小的正离子应处于稳定位置，正离子向内负 离子排斥向外——重排。见P149 图5.5 3.表面双电层：离子键逐渐过渡为共价键，表面为一层负离子所屏蔽——表面双电层。见 P149 图5.6和图5.7。 4.表面等负性：易吸附正离子。 5.双电层厚度由极化程度来决定，并影响表面能和硬度（极化变形大—表面能小—硬度 小）。 二、注意： (1)上述作用，随着向晶体内部深入而递减，对晶体而言，经过4~6层后，原子排列与晶体内 基本接近(晶格常数差小于0.1A)。 (2)与晶体内部相比，表面层离子排列有序度降低，键强数值分散。
材料科学基础05-固体的表面与界面培训讲学
亚晶界（sub-boundaries）、相界(phase boundaries)
及层错(stacking faults)等。
界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生着重
要的影响。
2022/3/14
9
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。
体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是第2 节 界面及界面行为——润湿与吸附、粘附
• 本章了解界面、固体表面分类及结构、固体表面 力场
• 重点掌握润湿的类型（附着、浸渍和铺展润湿） • 重点掌握Young方程、接触角 • 润湿的应用 • 吸附、粘附
第1节 固体的表面及其结构
固体表面的特点
固体表面的不均一性。表现在：
2022/3/14
高倍电子显微镜下聚四氟乙烯表面结构图
2
1µm • CVD氧化铝涂层剖面
2022/3/14
• 氧化铝涂层表面
3
相界面
3）相界面: 相邻相之间的交界面称为相界面。 相界面有三类: 固相与固相的相界面（s／S）； 固相与气相之间的相界面（s／V）；固相与液相 之间的相界面（s／L）。
F范＝FK＋FD＋FL 1/r7
对不同物质，上述三种作用并非均等的。例如对于非极 性分子，定向作用和诱导作用很小，可以忽略，主要是 分散作用。
固体的表面结构
表面力的作用： 液体: 总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。 固体: 使固体表面处于较高的能量状态(因为固体不能流动), 只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来 降低表面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异。
（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。
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• 金属与非金属界面附着力的来
源有两种： 机械咬合作用 金属-非金属间发生了键合 作用
• 键合作用：
化学键力
Van der wasls色散力 镜象作用力
第四节 分界面
(a）产生镜象作用的条件
• 金属与非金属分界面两边的介电常数相差非常
大(金属εr=∞，氧化物εr≈10)。
• 非金属材料主要由离子键组成，在表面或界面
第四节 分界面
• 镜象作用力来源：
化合物中的离子电荷靠近金属而获得稳定化 离子晶体中带电的缺陷靠近其表面时，会产生
吸引作用。
• 从物理意义来说, 镜象作用反映了电荷对可极
化媒质的稳定性程度。
• 在a=2Å 时，镜象作用力仍能产生效力。距离
进一步减小时，会由于离子晶体与金属的电子 云重叠而产生巨大的排斥力。
(扫描)电子显微镜照片→形貌特征
• “相”能根据形貌特征判断吗？ • “概念或原理” →多晶粒体系其界面(晶界)间的
几何特征
• 不同界面能～晶界相互角度的关系～形貌特征
←电子显微镜照片
判断是可以的条件为：热力学平衡＋完全致密
第二章表面与界面的电子过程
第二章表面与界面的电子过程
• 材料最基本的电学性能是导电率（宏观特性） • 材料的导电率实际上取决于电子在材料中的微
第四节 分界面
（b）金属-非金属界面的附着
• 没有明显互扩散和反应的金属-非金属界面，
镜象作用对附着力可起着关键作用。
• NiO(100)面上正负离子交错排列，整个面呈电
中性，故当与金属接触时, 不会有明显的镜象 作用，附着力的来源主要是Van der waals作用。
• NiO(110)面上，是一层正离子层，或一层负离
随着氧比硅厚度的增加，缺陷(电荷)也相应
增加。经过估算，只要在表面层下有1013/cm2 量级的电荷密度，就能够完全润湿水。
晶面上缺陷程度不同，会影响镜像力。
第四节 分界面
4.5 金属-聚合物分界面
• 大规模集成电路中，有很多金属-绝缘体界面，
其中很多绝缘体是由聚合物来承担的。
• 聚合物优点是：εr为3～4(高速电路中采用), 可 以通过光刻(形成~1µm细线), 适合高速电路和 高密度封装。
• Cr/PI界面：Cr在PI的表面分布均匀，没有发
现Cr穿进PI中生成聚合体等情况，这表明Cr 与Pl发生了化学反应，阻止Cr往PI中扩散，Cr 与PI中链段反应形成Cr-聚合物络合体。
• 金属与聚合物的反应程度决定金属-聚合物界
面的结构。有穿透特性可增加附着力，但不利 于作为绝缘性能。
课堂讨论： 从这两张陶瓷电子显微镜形 貌照片，能判断出这两种材料是多相陶瓷 还是单相陶瓷吗？为什么？
子层。与金属接触，会有显著的镜象作用。如 金属和NiO（110）面的附着力为1.33Jm-2, 几 乎是（100）面的 1倍。
晶面上正负离子排列方式不同，会影响镜像力。
第四节 分界面
• 水在纯硅的表面是不润湿的，如果硅表பைடு நூலகம்生成
一层厚于40Å 的氧化硅，就能完全润湿。并且 随氧比硅厚度的增加，硅与水的接触角而增大。
界面过渡区厚度小于40nm，有NiO微晶(~10nm)存 在。
金属Ni晶粒与基板有一定的取向关系，有利于界面 能的减小，如[001]MgO//[021]Ni。
Cu/Al2O3界面
Mn3O4(110) Ag(110) Ag/Mn3O4界面
Cu/MnO界面
第四节 分界面
(2) 镜象作用与金属-非金属界面 的附着力
• Si-SiO2分界面的作用：电路中含有许多和多种半 导体晶体管或元件，元件隔离主要依靠SiO2。
• 形成过程：硅表面常会有意进行氧化，形成SiO2薄 层，从而存在着Si-SiO2分界面。
• Si-SiO2分界面质量：状况与器件、电路的性能、 成品率、可靠性等都有直接的关系。
第四节 分界面
Si-SiO2分界面的结构
• 层模型： • 迪安模型： • 约翰尼森模型
非晶态SiO2的结构
具有完整二维SiO2 晶格结构，厚度约
为几个原子距
较多缺陷晶态Si结构
SiO2 层 中 缺 氧 较 多，不饱和键多
界面域内有硅夹杂 物（硅岛）
第四节 分界面
4.2 金属薄膜间的分界面
• 薄膜电路或一般电路中，电路的连接采用金属
薄膜材料(导电带)。
• 缺点：
Cr在高温时很快往Au中扩散，使导电带电阻 增加；或生成Cr2O3，使附着性能下降。
第四节 分界面
4.3 金属-非金属分界面
• 金属-非金属分界面：金属被腐蚀或氧化形成新表面
层，金属和陶瓷间封接界面。
• 分界面的附着力和稳定性，对性能有很大的影响。
(1) 金属-非金属交界面的结构
• Ni/MgO的分界面：
中易形成带电的缺陷和杂质。
第四节 分界面
• 带电的表面吸引金属中电子偏聚在界面上，从
产生一个附加界面能Eim(镜象作用能)。
Eim
=
Q2
4ε1a
ε ε
1 1
−ε2 +ε2
•ε1和ε2为两边的介电常数分别为。ε1中存在电荷Q
距界面的距离为a。
•当金属ε2→∞, Eim是负值，能降低界面能，故产生
吸引力。
材料表面与界面
第四节 分界面
第四节 分界面
关注的区域
分界面是指两个或数个凝集相的交界面。
与前述的界面差别：具有宏观二维尺寸条件下层 与层间的界面。
通常分界面有：
由氧化，腐蚀等化学作用生成的分界面(基体与表 面层的界面)
由薄膜与基板间的界面
块与块结合界面，如熔焊或粘接的界面
第四节 分界面
4.1 Si-SiO2 分界面 集成电路基板---单晶硅
• 金属中原子排列是长程有序，聚合物中结构疏
松, 大分子卷曲, 原子排列无序。两者在物化性 能上差别较大。因此，金属-聚合物分界面状 态对使用性能影响很大。
第四节 分界面
• Cu/聚酰亚胺(PI)的界面：在用蒸发方法形成
Cu/PI界面时，许多Cu原子迁移到PI中去，在 靠近PI一侧聚结，还会穿透PI到一定深度。这 表明Cu之间的结合能大于Cu和PI间的作用能， Cu和PI间不会发生明显的化学反应。
• 导电带要求：导电性好、附着力高、抗蚀、抗
氧化、焊接相容性好、抗老化性能好。
• 一般一种金属是很难同样时间满足上述要求，
故采用多层金属薄膜结构。
第四节 分界面
双层导电带
• Cr-Au双层金属膜是普遍采用的薄膜导电带。 • Cr与衬底有良好的附着性，Au具有优良的导
电性，能抗蚀抗氧化，所以Cr-Au可发挥出比 较理想导电带作用。
源有两种： 机械咬合作用 金属-非金属间发生了键合 作用
• 键合作用：
化学键力
Van der wasls色散力 镜象作用力
第四节 分界面
(a）产生镜象作用的条件
• 金属与非金属分界面两边的介电常数相差非常
大(金属εr=∞，氧化物εr≈10)。
• 非金属材料主要由离子键组成，在表面或界面
第四节 分界面
• 镜象作用力来源：
化合物中的离子电荷靠近金属而获得稳定化 离子晶体中带电的缺陷靠近其表面时，会产生
吸引作用。
• 从物理意义来说, 镜象作用反映了电荷对可极
化媒质的稳定性程度。
• 在a=2Å 时，镜象作用力仍能产生效力。距离
进一步减小时，会由于离子晶体与金属的电子 云重叠而产生巨大的排斥力。
(扫描)电子显微镜照片→形貌特征
• “相”能根据形貌特征判断吗？ • “概念或原理” →多晶粒体系其界面(晶界)间的
几何特征
• 不同界面能～晶界相互角度的关系～形貌特征
←电子显微镜照片
判断是可以的条件为：热力学平衡＋完全致密
第二章表面与界面的电子过程
第二章表面与界面的电子过程
• 材料最基本的电学性能是导电率（宏观特性） • 材料的导电率实际上取决于电子在材料中的微
第四节 分界面
（b）金属-非金属界面的附着
• 没有明显互扩散和反应的金属-非金属界面，
镜象作用对附着力可起着关键作用。
• NiO(100)面上正负离子交错排列，整个面呈电
中性，故当与金属接触时, 不会有明显的镜象 作用，附着力的来源主要是Van der waals作用。
• NiO(110)面上，是一层正离子层，或一层负离
随着氧比硅厚度的增加，缺陷(电荷)也相应
增加。经过估算，只要在表面层下有1013/cm2 量级的电荷密度，就能够完全润湿水。
晶面上缺陷程度不同，会影响镜像力。
第四节 分界面
4.5 金属-聚合物分界面
• 大规模集成电路中，有很多金属-绝缘体界面，
其中很多绝缘体是由聚合物来承担的。
• 聚合物优点是：εr为3～4(高速电路中采用), 可 以通过光刻(形成~1µm细线), 适合高速电路和 高密度封装。
• Cr/PI界面：Cr在PI的表面分布均匀，没有发
现Cr穿进PI中生成聚合体等情况，这表明Cr 与Pl发生了化学反应，阻止Cr往PI中扩散，Cr 与PI中链段反应形成Cr-聚合物络合体。
• 金属与聚合物的反应程度决定金属-聚合物界
面的结构。有穿透特性可增加附着力，但不利 于作为绝缘性能。
课堂讨论： 从这两张陶瓷电子显微镜形 貌照片，能判断出这两种材料是多相陶瓷 还是单相陶瓷吗？为什么？
子层。与金属接触，会有显著的镜象作用。如 金属和NiO（110）面的附着力为1.33Jm-2, 几 乎是（100）面的 1倍。
晶面上正负离子排列方式不同，会影响镜像力。
第四节 分界面
• 水在纯硅的表面是不润湿的，如果硅表பைடு நூலகம்生成
一层厚于40Å 的氧化硅，就能完全润湿。并且 随氧比硅厚度的增加，硅与水的接触角而增大。
界面过渡区厚度小于40nm，有NiO微晶(~10nm)存 在。
金属Ni晶粒与基板有一定的取向关系，有利于界面 能的减小，如[001]MgO//[021]Ni。
Cu/Al2O3界面
Mn3O4(110) Ag(110) Ag/Mn3O4界面
Cu/MnO界面
第四节 分界面
(2) 镜象作用与金属-非金属界面 的附着力
• Si-SiO2分界面的作用：电路中含有许多和多种半 导体晶体管或元件，元件隔离主要依靠SiO2。
• 形成过程：硅表面常会有意进行氧化，形成SiO2薄 层，从而存在着Si-SiO2分界面。
• Si-SiO2分界面质量：状况与器件、电路的性能、 成品率、可靠性等都有直接的关系。
第四节 分界面
Si-SiO2分界面的结构
• 层模型： • 迪安模型： • 约翰尼森模型
非晶态SiO2的结构
具有完整二维SiO2 晶格结构，厚度约
为几个原子距
较多缺陷晶态Si结构
SiO2 层 中 缺 氧 较 多，不饱和键多
界面域内有硅夹杂 物（硅岛）
第四节 分界面
4.2 金属薄膜间的分界面
• 薄膜电路或一般电路中，电路的连接采用金属
薄膜材料(导电带)。
• 缺点：
Cr在高温时很快往Au中扩散，使导电带电阻 增加；或生成Cr2O3，使附着性能下降。
第四节 分界面
4.3 金属-非金属分界面
• 金属-非金属分界面：金属被腐蚀或氧化形成新表面
层，金属和陶瓷间封接界面。
• 分界面的附着力和稳定性，对性能有很大的影响。
(1) 金属-非金属交界面的结构
• Ni/MgO的分界面：
中易形成带电的缺陷和杂质。
第四节 分界面
• 带电的表面吸引金属中电子偏聚在界面上，从
产生一个附加界面能Eim(镜象作用能)。
Eim
=
Q2
4ε1a
ε ε
1 1
−ε2 +ε2
•ε1和ε2为两边的介电常数分别为。ε1中存在电荷Q
距界面的距离为a。
•当金属ε2→∞, Eim是负值，能降低界面能，故产生
吸引力。
材料表面与界面
第四节 分界面
第四节 分界面
关注的区域
分界面是指两个或数个凝集相的交界面。
与前述的界面差别：具有宏观二维尺寸条件下层 与层间的界面。
通常分界面有：
由氧化，腐蚀等化学作用生成的分界面(基体与表 面层的界面)
由薄膜与基板间的界面
块与块结合界面，如熔焊或粘接的界面
第四节 分界面
4.1 Si-SiO2 分界面 集成电路基板---单晶硅
• 金属中原子排列是长程有序，聚合物中结构疏
松, 大分子卷曲, 原子排列无序。两者在物化性 能上差别较大。因此，金属-聚合物分界面状 态对使用性能影响很大。
第四节 分界面
• Cu/聚酰亚胺(PI)的界面：在用蒸发方法形成
Cu/PI界面时，许多Cu原子迁移到PI中去，在 靠近PI一侧聚结，还会穿透PI到一定深度。这 表明Cu之间的结合能大于Cu和PI间的作用能， Cu和PI间不会发生明显的化学反应。
• 导电带要求：导电性好、附着力高、抗蚀、抗
氧化、焊接相容性好、抗老化性能好。
• 一般一种金属是很难同样时间满足上述要求，
故采用多层金属薄膜结构。
第四节 分界面
双层导电带
• Cr-Au双层金属膜是普遍采用的薄膜导电带。 • Cr与衬底有良好的附着性，Au具有优良的导
电性，能抗蚀抗氧化，所以Cr-Au可发挥出比 较理想导电带作用。