材料表面与界面的表征-简介
材料的表面与界面
（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
材料物理与化学材料表面与界面物理与化学概念梳理
材料物理与化学材料表面与界面物理与化学概念梳理材料物理与化学—材料表面与界面物理与化学概念梳理在材料科学与工程领域中，表面与界面物理与化学是一个重要的研究方向。
了解材料表面与界面的性质对于改良材料性能、开发新型材料以及提高材料的应用性具有重要意义。
本文将对材料表面与界面物理与化学的相关概念进行梳理。
一、表面与界面的定义与特点1. 表面的定义与特点表面是指材料内部与外部环境之间的界面，是材料与外界相互作用的主要区域。
表面具有以下特点：（1）表面具有较高的表面自由能，导致表面能量较高；（2）表面具有不规则的形貌特征，如微观粗糙度和凹凸不平等；（3）表面具有较低的占有体积，而占据材料总体积很少。
2. 界面的定义与特点界面是指两个不同相的材料之间的边界，不同相可以是不同的材料，或者同一材料的不同相。
界面具有以下特点：（1）界面能量通常高于体相能量；（2）界面存在着各种缺陷，如孪晶、晶粒边界、位错等；（3）界面对材料的力学、电学、光学等性质具有重要影响。
二、表面与界面物理的研究内容1. 表面物理的研究内容表面物理主要研究材料表面的结构、形貌以及物理性质等。
具体研究内容包括：（1）表面结构的分析与表征，如表面晶胞结构、表面晶格畸变等；（2）表面形貌的研究，如表面粗糙度、表面平整度等；（3）表面态的研究，如表面态密度、表面电子结构等。
2. 界面物理的研究内容界面物理主要研究不同相之间的界面结构、界面缺陷以及物理性质等。
具体研究内容包括：（1）界面结构的分析与表征，如界面原子排列、界面层间结合等；（2）界面缺陷的研究，如界面晶格错配、界面位错等；（3）界面电子结构的研究，如界面态密度、界面电子传输等。
三、表面与界面化学的研究内容1. 表面化学的研究内容表面化学主要研究材料表面的化学成分、表面反应以及表面吸附等。
具体研究内容包括：（1）表面成分的分析与表征，如表面含有的原子、分子及其吸附态等；（2）表面反应的研究，如表面催化反应、表面氧化还原反应等；（3）表面吸附的研究，如表面吸附物的类型、吸附等温线等。
材料表面与界面的性质与应用
材料表面与界面的性质与应用材料科学是一个与人们生活密切相关的学科，它不仅与工业生产有着千丝万缕的联系，更是对我们现代生活的多种需求提供了原材料和基础支撑。
而材料的物理学和化学特性则是决定着材料能否成为优秀的材料的决定性因素之一。
表面和界面的性质是重要的研究方向之一。
表面和界面的特性对于材料性能的影响非常重要，因此我们需要了解表面与界面的性质，以更好地应用材料。
一、表面与界面的概念材料的表面是指物质与外界接触的界面，可以是物质相互接触的表面，也可以是物质与外界介质接触的表面。
以金属为例，其表面可以指表面结构、表面形貌和表面组成等方面的特征。
而界面则是指不同相之间接触的界面。
材料在自然界和工业生产中都常常存在不同相之间的接触，因此界面特性的研究显得尤为重要。
二、表面与界面的性质表面与界面的性质会受到表面成分、表面结构、表面形貌、浸润性等多种因素的影响。
具体来说，它会影响类似能量、化学反应、电荷效应、力学特性等多种物理、化学和力学等性质。
材料表面是材料与外界相接触的部分，所以表面化学和表面能量是表面特性的核心点。
通常情况下，表面的化学反应比体积更容易发生，因为表面原子没有被周围原子包围，所以在反应物分子到达表面时，其距离更近，进而导致表面原子与反应物相互作用，进行反应。
表面能量是指物质表面的自由能和内部的化学键能之和。
表面能量对于表面化学和物理性质有着决定性影响。
三、表面与界面的应用1. 表面涂层技术表面涂层技术不仅能实现对材料表面化学反应和表面能量的调控，还能使材料具有出色的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温特性等。
经常用于工业生产的有自清洁防水表面涂层、生物医用涂层和磁性涂层等。
通过表面涂层技术，我们不仅能够增强材料的本身性能，还能降低材料配件之间的磨损，从而延长其使用寿命。
2. 纳米材料制备表面和界面影响着纳米材料的物理、化学特性以及材料的自组装行为等因素。
因此，纳米材料的制备不仅需要对材料的体内结构进行研究，也需要考虑其表面和界面特性。
材料表面和界面的表征简介
Raman效应产生于入射光旳电场与介质表面上振动旳感生 偶极子旳相互作用，造成分子旳旋转或振动模式旳 跃 迁变化。
Raman光谱仪器
石墨旳Raman光谱图
Raman光谱旳特点
（1） Raman光谱研究分子构造时与红外光 谱互补
（2） Raman光谱研究旳构造必需要有构造 在转动或者振动过程中旳极化率变化
SPM扫描探针显微镜
AFM线性剖面图
AFM立体显示图
Average roughness Ra
特点 （1）针尖与样品之间旳排斥作用力；来反应
样品旳形貌 (2)辨别率可达： 0.1 nm (3) 能够在真空、大气、溶液条件下进行表面
分析，图象旳质量与针尖非常亲密有关 （4） 样品形貌起伏不能太大
三种观察原子旳措施比较
红外光谱研究旳构造必需要有有构造在转动 或者振动过程中偶极矩差别
（3）能够测定物质旳晶体构造和晶相判断， 但只能是研究光能到达旳表面区域
（4）样品能够是固态、液体或者气体
2.4 XPS光电子谱
1. 光电发射定律
原子由核和绕核运动旳电子所构成，电子具有拟定旳能量并在一定 轨道上运动(EB(i), )。当能量为hv旳光激发原子或者分子时，只要 hv >EB(i),,便可激发出i轨道上电子，并取得一定动能Ek，留下一种离子： M + hv = M+* + e-1
5. Bruggle 方程
2dhklsinhkl=n
A
hkl
m N
B
hkl
= n = mB+ BN = 2dhklsinhkl
2.3 拉曼光谱（Raman spectra）
• 光经过样品时产生散射
hv
材料科学中的表面和界面研究
材料科学中的表面和界面研究材料科学的发展水平已经到了让人瞠目的地步，这离不开表面和界面这两个重要的研究方向。
表面和界面科学早已成为材料科学研究的重要部分。
无论是材料的性能还是材料的组织结构，其都与材料表面和界面有着密不可分的联系。
本文将从表面和界面科学的基本概念到理论研究和实践应用等方面给大家进行介绍，并就其在实际应用中进行一些探讨。
一、表面和界面科学的基本概念表面和界面科学主要关注的是物质的表面和界面所具有的性质、结构和功能等。
其研究的主要对象是具有表面和界面的材料，如液体、气体、固体等。
材料的表面是指物质和外界的接触面，它是材料表征和性能调控的重要途径。
而界面则是指两相材料之间的分界面，如液体-气体、液体-固体、固体-气体等。
材料的界面位置不同，其表现出的性质也不同，因此表面和界面科学可以对这一方面进行探讨。
二、表面和界面科学的理论研究表面和界面科学的理论研究探讨的是在材料表面和界面上发生的一系列物理和化学过程，其目的是为了揭示表面和界面上的基本规律和特性。
主要分为表面物理学和表面化学两个方向。
表面物理学研究的是表面的物理性质，如最大吸附量、表面结构、电子结构等，通过研究表面物理性质，可以揭示表面吸附和反应的本质，从而解决许多实际问题。
表面化学则是揭示表面化学反应的机理和动力学规律，以及表面吸附和反应行为的影响因素，如温度、压力和化学势等。
三、表面和界面在实际应用中的作用表面和界面在实际应用中有着广泛的应用，如催化剂、电子器件、涂料等。
在催化剂方面，表面和界面通常可以调节催化剂的活性和选择性，提高催化反应的效率。
在电子器件方面，表面和界面技术目前已经成为了制造先进微电子器件的重要手段。
在涂料领域，表面和界面对于材料抗腐蚀、抗磨损、增强粘附等方面有着显著的影响。
以上便是表面和界面科学的基本概念、理论研究和实际应用方面的简单介绍。
表面和界面科学是材料科学研究的重要组成部分，其在材料性能、结构和功能的探讨和改进方面所发挥的作用不可小觑。
材料表面与界面的表征-简介PPT文档45页
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
材料表面与界面的表征-简介
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26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
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28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
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29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
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30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
材料表面与界面的特性及其应用
材料表面与界面的特性及其应用材料表面和界面性质是材料科学中的重要研究领域，因为这些性质决定了材料的性能和用途。
在本文中，我们将探讨材料表面和界面的特性及其应用。
一、表面和界面的概念表面是指材料外部与环境接触的部分，分为实际表面和几何表面两种。
实际表面是真实的材料表面，几何表面是理想情况下的平滑表面。
材料的表面特性主要包括表面形貌、表面化学组成、表面结构和表面能等。
界面是指两种不同的材料或相同材料的不同部分之间的分界面，它们之间的接触面积和界面能量影响着材料的特性。
材料的界面性质主要包括晶界、异质界面、相界面等，其中晶界是指晶粒之间的界面，异质界面是指不同材料之间的界面，相界面是指同一材料中不同相之间的界面。
二、表面和界面的特性1. 表面形貌表面形貌是指表面的几何形状和表面纹理。
这些形状和纹理决定了材料的摩擦、磨损、润滑性能等。
表面形貌通常通过光学显微镜、扫描电子显微镜等观察技术获得。
2. 表面化学组成表面化学组成是表面化学反应和表面吸附现象的结果，包括化学基团、氧化物、热处理物种等。
表面化学组成影响材料的电子结构、化学反应和材料与环境之间的相互作用。
3. 表面结构表面结构是指表面的晶体结构和缺陷结构。
它们决定了表面的力学强度、疲劳寿命等。
表面结构通常通过X射线衍射、中子衍射、TEM等实验手段获得。
4.表面能表面能是表面分子间相互作用的能量和表面吸附分子的能量。
表面能决定了表面与其他材料之间的亲疏性和黏附性。
表面能通常通过表面张力、接触角等实验技术测量。
5. 总界面能总界面能是指材料界面的总能量，包括界面张力和界面形变能等。
总界面能主要影响材料的界面稳定性，是材料界面优化的重要指标。
三、表面和界面的应用表面和界面的特性在材料科学中具有重要的应用，主要包括以下方面：1. 表面修饰利用表面化学组成和结构的差异，对材料表面进行化学、物理、生物修饰，以达到特定的表面性质。
例如，通过表面修饰可使金属表面耐蚀、增加光电转换效率等。
材料科学中的表面与界面现象
材料科学中的表面与界面现象引言表面与界面现象是材料科学中一个极为重要的研究领域。
无论是在材料的合成、加工、性能研究还是应用开发中，表面和界面都扮演着至关重要的角色。
本文将从表面与界面的定义、表面和界面的性质以及表面与界面的应用等方面进行探讨，希望能够对读者对材料科学中的表面与界面现象有一个全面的了解。
表面与界面的定义在材料科学中，表面是指材料与外界相接触的边界部分，它是材料与外界进行物质和能量交换的重要场所。
表面能够直接反映材料的性质和特征，并且表面的性质往往与材料的体积相差较大。
界面是指两个或多个不同材料之间的接触面，它是不同材料之间相互作用的场所。
界面处的物理和化学变化可以导致材料的性能发生显著的变化，因此对界面的研究在材料科学中具有重要意义。
表面和界面的性质表面的性质材料表面的性质主要包括表面能、表面形貌和表面化学组成等。
表面能是指材料表面上的内能与外界的能量之间的交换能力，它直接反映了材料与外界的相互作用强度。
表面形貌则是指材料表面的形状和结构特征，它影响着材料的摩擦、磨损、光学和电子等性能。
表面化学组成是指材料表面元素的种类和分布情况，它决定着材料的表面反应活性和化学稳定性。
界面的性质界面的性质主要包括界面能、界面形貌和界面化学组成等。
界面能是指两个不同材料的接触面上的内能与外界能量之间的交换能力。
界面形貌则是指不同材料接触面的形状和结构特征，它对表面应力、界面强度和界面位错等起着重要作用。
界面化学组成是指两个不同材料接触面上化学元素的种类和分布情况，它决定了界面反应的速率和界面附着力。
表面与界面的应用表面与界面的性质在材料科学中具有广泛的应用价值。
以下将介绍几个常见的应用领域。
表面涂层技术表面涂层技术是指将附加层覆盖在材料表面上，以提高材料的性能和增加其使用寿命。
表面涂层技术广泛应用于防腐、耐磨、导热、导电等方面。
例如，汽车制造中常用的喷涂技术可以在汽车外部覆盖一层防腐、防划伤的漆膜，提高汽车的耐用性和外观质量。
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
材料物理学中的表面和界面现象
材料物理学中的表面和界面现象材料物理学是研究物质的性质及其与外界相互作用的学科，而表面和界面现象则是材料物理学中一个重要的研究领域。
表面和界面现象的研究对于理解材料的性质和开发新型材料具有重要意义。
本文将从表面和界面的定义、性质以及应用等方面进行探讨。
表面是物质与外界相接触的部分，它通常与内部相比具有较高的能量。
表面现象是指物质的表面所表现出的特殊性质和现象。
表面现象的研究对象包括表面能、表面张力、表面活性等。
表面能是表征物质表面能量的物理量，它是单位面积的表面所具有的能量。
表面张力是指液体表面上的分子间相互作用力，它使液体表面趋向于收缩，形成一个尽可能小的表面积。
表面活性则是指物质在界面上的吸附现象，使界面上的分子排列有序，形成一层分子膜。
界面是两种不同物质之间的接触面，它具有特殊的物理和化学性质。
界面现象是指两种不同物质接触时所表现出的特殊性质和现象。
界面现象的研究对象包括界面能、界面电荷、界面扩散等。
界面能是指两种不同物质接触时所产生的能量变化，它决定了物质在界面上的吸附和反应行为。
界面电荷是指界面上的电荷分布情况，它对于界面的电荷传递和电子转移等过程起着重要作用。
界面扩散是指两种不同物质在界面上的扩散过程，它影响着物质的相互渗透和传输。
表面和界面现象在材料科学和工程中具有广泛的应用价值。
首先，表面和界面现象对于材料的界面反应和界面控制具有重要意义。
在材料加工和制备过程中，界面反应和界面控制是实现材料性能优化的关键环节。
通过研究表面和界面现象，可以有效地控制材料的界面结构和界面性质，从而改善材料的性能和功能。
其次，表面和界面现象在材料的粘附和润湿等方面也具有重要应用。
例如，在涂层材料中，表面张力的控制可以实现涂层的均匀覆盖和附着力的增强；在生物医学领域，通过改变材料表面的亲水性或疏水性，可以实现对生物体的粘附或排斥。
此外，表面和界面现象还在材料的电子输运、热传导和光学性能等方面有着重要的应用。
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。
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。
材料科学中的表面与界面
材料科学中的表面与界面材料科学是研究材料的性质、结构、制备、应用等方面的一门学科，而表面和界面是材料科学中非常重要的概念。
表面是指材料的表层，而界面则是不同材料或同一材料不同相之间的界面。
在材料制备、材料性能及材料应用等方面表面与界面都起着至关重要的作用。
表面对材料性能的影响材料的大部分性质都与材料的表面直接相关。
在一些材料中，表面的化学和物理性质与体积的性质有很大的不同。
表面可以影响材料的机械性能、光学性能、电学性能和化学反应等方面。
表面是由原子/分子组成的，当材料表面被处理时，会影响原子/分子的结构和间隙，从而产生不同的表面能、表面电位等物理和化学性质，如氧化、硫化、氢氟化等处理方式都会影响材料表面的性质。
表面的改性可以改变材料的结构和性能。
如铝合金表面的氧化处理可以形成氧化层，保护铝合金表面，提高铝合金的耐腐蚀性；金属材料表面经过镀铬、喷涂等处理可以提高银的光学透明度和化学稳定性。
此外，通过表面处理可以增加材料表面的疏水性或亲水性，进一步改变材料与周围环境的相互作用。
表面的改性也可以改善材料的生物学性能和生物适应性。
例如，医用材料如人工骨骼和人工关节一般要表面进行多次处理，以增加其生物相容性和降低其对周围组织的损伤。
界面对材料性能的影响界面是不同材料或同一材料不同相之间的界面。
在这些界面上，会有不同的物理和化学反应，从而产生不同的力、电学和光学性质。
例如，当两个金属接触时，界面处的电子相互作用可以导致金属表面发生化学反应，使得接合界面处形成化合物等化学反应。
界面的存在也会对材料力学性能产生影响。
在金属合金中，不同的晶体方向表现出不同的机械性能，即不同的力学属性。
当这些晶体遇到界面时，界面中的应力会产生影响，导致材料在局部区域的形变和塑性变形。
除此之外，在半导体工艺中，也需要对半导体材料进行热处理、光刻等工艺处理，生成不同的界面，从而制备出不同的器件。
而当这些器件的性质以及器件之间的交互作用都依赖于界面的存在和性质。
高分子材料的界面与表面性质研究
高分子材料的界面与表面性质研究高分子材料是一类具有广泛应用的材料，它们在各个领域中扮演着重要的角色。
然而，高分子材料的界面与表面性质对于其性能和应用有着至关重要的影响。
在这篇文章中，我们将探讨高分子材料的界面和表面性质的研究进展，以及其在材料科学领域中的意义。
一、界面性质的研究界面是指两个相互接触的材料之间的区域。
对于高分子材料而言，界面性质的研究对于了解材料的结构和性能起着至关重要的作用。
界面性质的研究方法主要包括界面力学性质、界面能量、界面结构等方面。
1. 界面力学性质界面力学性质是研究界面上力学行为的重要指标。
通过测量界面的剪切强度、界面屈服强度、弹性模量等参数，可以评估材料界面的稳定性和强度。
例如，通过拉伸实验可以测定高分子材料界面的断裂强度，以评估其在实际应用中的可靠性。
2. 界面能量界面能量是描述界面力量交换的重要参数。
通过测量界面的表面张力和界面能量，可以了解高分子材料与其他材料的黏附性和界面稳定性。
界面能量的研究可以帮助我们优化材料的界面结构，从而改善材料的性能和应用。
3. 界面结构界面结构指的是高分子材料与其他材料之间的结合方式和层次。
通过使用各种表征方法，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等，可以观察和分析高分子材料与其他材料界面的形貌和结构。
界面结构的研究有助于我们了解材料在界面处的相互作用机制，从而指导材料的设计和制备。
二、表面性质的研究表面性质是指高分子材料表面的特征和性质。
与界面性质类似，表面性质的研究也对于了解高分子材料的性能和应用具有重要意义。
表面性质的研究方法主要包括表面能、表面形貌等方面。
1. 表面能表面能是描述材料表面各个部分之间相互作用的能量。
通过测量材料表面的接触角，可以获得材料的表面能。
表面能的研究可以帮助我们了解高分子材料与其他物质的黏附性和润湿性，进而优化材料的表面处理方法。
2. 表面形貌表面形貌是指材料表面的形状、纹理和粗糙度等特征。
纳米材料的表面与界面表征
纳米材料的表面与界面表征
纳米材料的表面与界面表征是指对纳米材料表面和界面的结构、形貌、化学成分、电子结构等进行详细的分析和研究，以揭示纳米材料的特殊性质和应用潜力。
以下是几种常见的纳米材料表面与界面表征方法：
1.扫描电子显微镜（SEM）：SEM能够对纳米材料的表面形貌和结构进行高分辨率的成像，揭示纳米颗粒、纳米薄膜等的形态、大小和分布情况。
2.透射电子显微镜（TEM）：TEM可以对纳米材料的内部结构和晶体结构进行高分辨率的成像，同时通过选区电子衍射（SAED）分析纳米晶体的晶格结构。
3.原子力显微镜（AFM）：AFM可以对纳米材料的表面形貌和结构进行原子级别的成像，同时可以进行力谱分析、表面电荷测量等。
4.X射线衍射（XRD）：XRD可以分析纳米材料的晶体结构、晶体尺寸和晶格畸变等，通过研究X射线衍射图谱可以了解纳米材料的晶体性质。
5.拉曼光谱：拉曼光谱可以通过分析纳米材料的振动和晶格模式来确定其化学成分、晶体结构和晶格缺陷等。
6.X射线光电子能谱（XPS）：XPS可以分析纳米材料表面的化学成分、化学键状态和原子组成，提供表面化学信息。
7.扫描隧道显微镜（STM）：STM可以对纳米材料的表面电子结构和电荷分布进行原子级别的成像，提供纳米尺度的电子信息。
8.表面等离子共振光谱（SPR）：SPR可以分析纳米材料表面的电荷转移、吸附物种和吸附态，了解其表面化学性质。
通过以上表征方法的综合应用，可以全面了解纳米材料的表面形貌、晶体结构、化学成分、电子结构等重要特征，为纳米材料的性能优化和应用研究提供重要支持。
生物材料的表面与界面-材料表界面的表征方法 材料表界面课件
XPS的基本原理是光电效应。如果以光电子的动能分布为横坐 标，相对强度为纵坐标，那么所记录的谱峰为光电子能谱图。 图1.4聚四氟乙烯(PTFE)XPS谱。
聚四氟乙烯（PTFE）的XPS
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜，简称SEM，它的成像过程不是利用电磁透 镜的会聚放大功能一次成像，其图像是按一定时间空间顺序 逐点扫描形成，并在镜体外的显像管上显示出来。二次电子 成像是用扫描电镜所获得的各种图像中应用最广泛、分辨率 最高的一种图像，成像过程如图所示。
生物材料的表面与界面
四、 材料表界面的表征方法
材料-界面结合形式
1、暂时附着界面
失败的界面附着形式
材料植入体内后，机体组织立即产生强烈的异物
反应或毒性反应，只是暂时性的附着。
2、纤维结合界面
不良的界面附着形式
植入体内后，在材料表面形成很厚的结缔组织包
裹层，且随时间加长，包裹层不变薄不消失，逐渐变
※ 微量元素分析 对材料与组织细胞界面及周围的微量元素及其变化进
行测定，从而对细胞生长发育状态以及界面结合的动态变化 进行判定。
几种常用的仪器
◆ 红外光谱
◆ X射线光电子能谱 ◆ 扫描电子显微镜 ◆ 激光共聚焦显微镜 ◆ 透射电子显微镜 ◆ 原子力显微镜 。。。。。。。
红外光谱
◆通过红外光照射到物质分子只能激发分子内原子核之间的
7 and (e) 14
透射电子显微镜
透射电子显微镜基本原理
透射电子显微镜(transmmion electronmicroscope)简称TEM。TEM既可 以观察试样的显微图像，又可以观察电子衍射花纹。
TEM的分辨本领按下式计算： d＝Vλ／nsinα
材料表面与界面综述
材料表面与界面综述表面技术是通过物理、化学工艺方法使材料表面具有与基体材料不同的组织结构、化学成分和物理状态，使表面具有与基体材料不同的性能的技术。
材料表面技术的目的与作用有：（1）提高材料的表面损伤失效抗力。
磨损和腐蚀是最重要的表面损伤失效形式，据统计，因磨损、腐蚀失效造成的经济损失分别可达国民经济总产值的1%～2%和4%～5%。
绝大多数疲劳断裂也主要是从表面开始而逐渐向内部发展的。
由于磨损、腐蚀和疲劳断裂是产品（零件）的最主要失效形式，而它们又主要是发生在材料表面或开始于材料表面，因此，通过表面技术，提高材料表面的耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能，可有效地保护或强化零件表面，防止失效现象。
（2）赋予材料表面某种（或多种）功能特性。
这些功能包括电性能（如导电性、绝缘性），热学性能（如耐热性、热障性），光学性能（如反光性、吸光性及光致效应），电磁特性（如磁性、屏蔽性），声学性能及吸附、分离等各种物理性能和化学性能。
（3）实施特定的表面加工来制造（或修复）零部件。
如采用热喷涂、堆焊等表面技术修复已磨损或腐蚀的零件，用表面蚀刻、扩散等工艺制作晶体管及集成电路等。
表面技术的分类有：（1）表面覆层技术。
按工艺特点，表面覆层技术包括各种镀层技术（电镀、化学镀等）、热喷涂技术、涂料涂装技术、陶瓷涂敷技术、化学转化膜技术、堆焊技术、气相沉积技术、着色染色技术等。
其中电镀镀层材料可以是金属、合金、半导体等，基体材料也由金属扩大到陶瓷、高分子材料；电镀覆层广泛用于耐蚀、耐磨、装饰及其它功能性镀层（如磁性膜、光学膜）。
而化学镀是在无外加电场的情况下，镀液中的金属离子在还原剂的作用下，通过催化在镀件（金属件或非金属件）表面上的还原沉积过程。
从本质上讲，化学镀仍然是个电化学过程。
化学镀在电子、石油、化学化工、航天航空、机械、汽车及核能等工业中已得到广泛应用。
多元合金镀层如Ni-Cu-P、Ni-Mo-P等，具有更好的综合性能和特殊功能。
第三章 材料界面性能与表征-1
(11
面心立方结构(100)、(110)、(111)三个低指数面上原子的分布
结晶面、表面原子密度及邻近原子数：
结晶面 （111） 面 心 （100） 立 方 （110） 表面密度 0.907 0.785 1.555 最邻近原子 次邻近原子 6 4 2 6 4 2
（2）表面粗糙度对表面力场的影响
使表面力场变得不均匀，其活性及其它表面
金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图
3.2.2 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。
图4 台阶表面不同的压缩形式
（2） 弛豫表面
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， 称为表面弛豫。 0.1A
0.35A
图5 弛豫表面示意图
图6 LiF(001)弛豫 表面示意图， ● Li ● F
（3）重构表面
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则与体内相同。 表面结构和 体结构出现了本质的不同。
4. 固体表面的几何结构
固体实际表面是不规则而粗糙的不平坦的 （1）具有不同厚度的台阶 （2）台阶部分具有一系列的断口
（3）数目不多的原子被吸附在晶体及台阶 表面上。 这些不同的几何状态同样会对表面性质， 如润湿,孔隙率和孔隙结构,透气性和浸透性等 产生影响。
其中最重要的是表面粗糙度和微裂纹。
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This STM image shows the direct observation of standing-wave patterns in the local density of states of the Cu(111) surface
宾尼格(G．Binnig)和罗赫(H．Rohrer)显微镜发明人鲁斯卡分享 了1986年诺贝尔物理学奖。
（5） 样品要有一定的导电性
原子力显微镜（ AFM) 激光 探测器
针尖 样品
Revealing the hidden atom in graphite with AFM showing all atoms within the hexagonal graphite unit cells. Image size 2×2 nm2.
Figure Characterization of thin planar opal templates assembled directly on a Si wafer from 855-nm spheres. a, Cross-sectional SEM image.
Assembling a thin layer of colloidal spheres on a silicon substrate
隧道电流 I = A e –k d d 1 nm 时，产生隧道电流 特点（1） 通常情况 I = 0.1~1 nA; V = 0.01 ~ 3 v; d = 0.5- 1 nm
（2）只能得到表面的微结构 （通过表面电子结构/电子云）,不能得到成分 (3)分辨率可达： 0.1 ～ 0.01 nm (4) 可以在真空、大气、溶液条件下进行表面分析，图象的质量与 针尖非常密切相关
Figure SEM images of planar Si photonic crystals. Cross-sectional SEM images are shown as a function of the thickness of the initial opal template for 2 (a), 4 (b), and 16 (c) layers.
2.4 XPS光电子谱
SPM扫描探针显微镜
AFM立体显示图
Average roughness Ra
AFM线性剖面图
特点 （1）针尖与样品之间的排斥作用力；来反应 样品的形貌 (2)分辨率可达： 0.1 nm
(3) 可以在真空、大气、溶液条件下进行表面
分析，图象的质量与针尖非常密切相关
（4） 样品形貌起伏不能太大
三种观察原子的方法比较
扫描电子显微镜（SEM） 主要特点：（1）电磁物镜的特点（2）高真空下观 察样品形貌（3）样品分辨率高 （4）样品需要导电， 对于不导电的样品需要先溅射上一层金或者铂金；（5） 环境扫描电镜
•Natural assembly of silicon photonic bandgap crystals
材料表面与界面的表征
结构和性能的表征 结构包括：材料的形貌（morphology)、化学组成(chemical composition)、 相(phase)组成、晶体结构(crystal structure)、缺陷(defects)等 表征材料形貌的仪器： 光学显微镜（Optical microscopy) 扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy, ab. SEM) 原子力显微镜（ Atom force microscopy, ab. AFM) 扫描隧道显微镜（ Scanning tunnel microscopy, ab. STM) 透射电子显微镜（Transmission electron microscopy, TEM)
•由此得出显微镜的分辨本领公式（阿贝公式） 为： d=0.61/(Nsin)
加速电压与电子波长
加速电压(kv)
1 10 50 100 1000
电子波长(Å)
0.3878 0.1226 0.0548 0.0388 0.0123
相对论修正后 的电子波长(Å) 0.3876 0.1220 0.0536 0.0370 0.0087
高分辨率透射电子显微镜（High resolution transmission electron microscopy, ab. HRTEM)
检测化学组成的仪器： X-Ray 光电子能谱（X-ray photoelectron spectra, ab. XPS), 测组成和价态
红外光谱（ Infra-red spectra, ab. IR)
5. Bruggle 方程
2dhklsinhkl=n
m
A hkl N B hkl
= n = mB+ BN = 2dhklsinhkl
2.3 拉曼光谱（Raman spectra）
• 光通过样品时产生散射
hv
散射
•散射：弹性散射和非弹性散射 激发态 hv0 hv0 hv0
hv0 - V
TEM及其原理示意图
图 胶态晶体法组装得到的CdSe量子点超晶格的高分辨 电镜照片(图中量子点尺寸为4．8nm) (a)fcc排布的(101)面的图像及特征电子衍射图； (b)fcc排布的(100)面的图像及特征电子衍射图
Figure Silver nanocrystals made in reverse micellar solution. Mixed reverse micelles made of 3 × 10–2 M Ag(AOT) and 7 × 10–2 M Na(AOT) were formed in isooctane solution.
X-ray 衍射
1. 晶体结构＝ 点阵 + 结构基元 2. 点阵 点阵是反映晶体结构周期性的科学抽象 a. 直线点阵 结构基元直线排列 b.平面点阵 结构基元平面排列 c. 空间点阵 结构基元空间排列 结构基元：代表点阵构成的具体内容如分子、原 子或者离子 3. 晶面指标 4. 晶系和空间点阵 7种晶系 14种空间点阵 立方（cubic)晶系 ; 六方（hexagonal)晶系 ;四方 （tetragonal)晶系;三方（trigonal)晶系；正交晶 系；单斜（monoclinic)晶系；三斜(triclinic)晶系
表征材料形貌的仪器
第三代为扫描探针显微镜
也可简称为纳米显微镜。瑞 士苏黎世研究实验室的宾尼格 (G．Binnig)和罗赫(H．Rohrer) 发明的扫描隧道显微镜(简称 STM)，在技术上实现了对单个 原子的控制与操作。 1985年比 尼格应奎特（C.F.Quate）发明了 可适用于非导电样品的原子力显 微镜（AFM），也具有原子分 辨率，与扫描隧道显微镜一起构 建了扫描探针显微镜（SPM）系 列。
• 初速度为0的电子，受到电位差为V的电 场加速，根据能量守恒原理，电子获得 的动能为：0.5m2=ev , =(2ev/m)1/2, • 代入=h/m，得：=h/(2mev)1/2 • 考虑到相对论效应， =h/[2m0ev(1+ev/2m0c2)]1/2,式中m0为电 子的静止质量。 • 上式的近似公式： =(150/v)1/2
光镜的分辨本领的限制
• 为什么光镜的分辨本领只能达到200nm ？这是由 于光波的衍射现象所限制的。
• 根据“瑞利”判据，当A、B两点靠近到使像斑的重叠部 分达到各自的一半时，则认为此两点的距离即是透镜的分 辨本领；由此得出显微镜的分辨本领公式（阿贝公式）为：
• d=0.61/(Nsin) • ：物镜的接收角 • Nsin是透镜的孔径数（简写为N A ），常于镜 头上标明，其最大值为1.3。因此，上式可近似化 简为：d=0.5 • 光镜采用的可见光的波长为400~760nm。
TEM特点：
e
e散射
(1)电子透过样品有散射和衍射等现象
（2）电磁物镜的特点
（3）高真空下观察样品形貌,对于不同材料在同一聚集 体中显出不同的衬度，是研究符合材料非常有效的手段 （4）样品分辨率高 （5）样品不需要导电 （6） 其他
扫描遂道显微镜（STM）
表面分析仪：1982年第一台 国际商业机器公司苏黎世实验室 (Gerd Bining\Heinrich Rohrer)
2.1 STEM简介
STEM 电子枪发射20 –50 m直径的电子束；1-100 kV阳极电压的加速下射
向样品，途中经聚光镜将它汇聚缩小成几纳米的细束轰击到样品表面上电子束 的特点：密度高、能量大与样品相互作用时将产生下列结果：产生二次电子 （Secondary Electron）；俄歇电子（Auger Electron）；背散射电子；X-Ray; 高角度电子散射；弹性散射；非弹性散射等现象等
表面结构分析现代仪器历史
第一代为光学显微镜
1830年代后期为 M.Schleide和T.Schmann 所发明；它使人类“看” 到了致病的细菌、微生 物和微米级的微小物体， 对社会的发展起了巨大 的促进作用，至今仍是 主要的显微工具 .
表征材料形貌的仪器
第二代为电子显微镜
20世纪三十年代 早期卢斯卡（E.Ruska） 发明了电子显微镜，使 人类能”看”到病毒等 亚微米的物体，它与光 学显微镜一起成了微电 子技术的基本工具。
偶极子的相互作用，导致分子的旋转或振动模式的 跃 迁变化。
Raman光谱仪器
石墨的Raman光谱图
Raman光谱的特点 （1） Raman光谱研究分子结构时与红外光 谱互补 （2） Raman光谱研究的结构必需要有结构 在转动或者振动过程中的极化率变化 红外光谱研究的结构必需要有有结构在转动 或者振动过程中偶极矩差异 （3）可以测定物质的晶体结构和晶相判断， 但只能是研究光能到达的表面区域 （4）样品可以是固态、液体或者气体
TEM 空间分辨率 样品制备测量 条件 1--10Ǻ 超薄切片真空 1Ǻ 结晶样品mg级 量 X—衍射 STM/AFM 1 Ǻ（Z：0.1 Ǻ） 近自然、液体 μg--ng