《固体表面特性》PPT课件

• 这层非晶态称为贝尔比层。
• 其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内 明显不同。
• 贝尔比层具有高的耐磨性和耐蚀性。
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残余应力
• 材料经各种加工、处理后普遍存在残余应 力。
• 残余应力按其作用范围分为两类： 宏观内应力 微观内应力
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3. 表面氧化、吸附和沾污
• （二） 吸附表面层结构
• （1） 轮廓算术平均偏差：Ra • （2） 微观不平度+点高度：Rz • （3） 轮廓最大高度：Ry
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2．贝尔比层和残余应力
• 固体材料经过切削加工后，在几个微米或者 十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧 烈变化，既造成一定程度的晶格畸变。
• 这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的， 约5nm-10nm厚度可能会形成一种非晶态层。
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一、理想表面结构
• 理想表面是一种理论的结构完整的二维点 阵平面。
• 这里忽略了晶体内部周期性势场在晶体表 面中断的影响，
• 也忽略表面上原子的热运动以及出现的缺 陷和扩散现象，
• 又忽略表面外界环境的作用等，因而把晶 体的解理面认为是理想表面。
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• 1．二维晶格的周期性与对称性
• 一是自行调整，原子排队列情况与材料内部明显 不同；
• 二是依靠表面成分偏析和表面对外来原子或分子 的吸附以及两者的相互作用而趋向稳定态，因而 使表面组分与材料内部不同。
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• 晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部， 一般大约要经过4～6个原子层之后才与体 内基本相似，所以晶体表面实际上只有几 个原层子范围。
固体材料与气体界面： （1）清洁表面 （2）实际表面 （3）理想表面（实际上不存在）
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清洁表面
• 清洁表面——经过诸如离子轰击、高温脱 附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应 蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理 后，保持在10－6Pa－10－9Pa超高真空下外 来沾污少到不能用一般表面分析方法探测 的表面。
• 外来原子吸附在表面上形成覆盖层，并往往能使表面 重构。
• 吸附层原子或分子在晶体表面是有序排列还是无序排 列，与吸附的类型、吸附热、温度等因素有关。
• 二维点阵除了平移群和点移群两种基本 对称操作外，还存在镜像滑移群。
• 二维点阵中存在10种点群
• 镜像滑移群与点群结合，共得到17种二 维对移群，如表2-2所示。
• 2．晶列与晶列指数
• 3．二维倒易格子
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二、清洁表面结构
1．清洁表面的一般情况
依热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋于 能量最低的稳定状态，达到这种稳定态的方式有 两种：
第二章 固体表面特性
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第一节 固体表面结构
• 固体材料： 固体材料是工程技术中最普遍使用的材料。 它的分类方法很多。例如按照材料特性， 可将它分为：
• 金属材料、 • 无机非金属材料 • 有机高分子材料三类。
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• 固体材料按所起的作用可分为: 结构材料和功能材料两大类。
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二、材料表面
固体材料的界面有三种：
（l）表面——固体材料与气体或液体的分界面。 （2）晶界（或亚晶界）——多晶材料内部成分、结
构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。 （3）相界——固体材料中成分、结构不同的两相之
间的界面。
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表面： • 固－固界面 • 固－液界面 • 固－气界面
表示台阶的原子层高度；（h’k’l’）为台阶
侧面的晶面指数；[uvw]为平台与台阶相交
的原子列方向。
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三、实际表面结构
• （一）实际表面的一般情况
• 1．表面粗糙度
• 从宏观看，经过切削、研磨、抛光的固体 表面似乎很平整，然而从微观角度观察会 发现表面有明显的起伏、同时不可能有裂 缝、空洞等。
• 结构材料
是以力学性能为主的工程材料，主要用来 制造工程建筑中的构件，机械装备中的零 件以及工具、模具等。
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功能材料
• 功能材料是利用物质的各种物理和化学特 性及其对外界环境敏感的反应，实现各种 信息处理和能量转换的材料（有时也包括 具有特殊力学性能的材料）。
• 这类材料常用来制造各种装备中具有独特 功能的核心部件。
平行，但长度不等。
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通用表面晶格的矩阵表示：
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4. 表面台阶结构（清洁表面的台阶结构）
台阶结构表示为： • R（S）-[m(hkl)×n(h’k’l’)]-[uvw]
• 式中R表示台阶表面的组成元素；（S）为
台阶结构；m表示平台宽度为m个原子列
（晶列）；（hkl）为平台的晶面指数；n
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3．表面重构
• 在平行基底的表面上，原子的平移对称性 与体内显著不同，原子位置作了较大幅度 的调整，这种表面结构称为重构（或再 构）。
• R（hkl）－p×q－D
• 式中R表示基底材料的符号；（hkl）为基底平面 的密勒指数；D是表面覆盖层或沉积物质的符号。
P、q为整数，即表面晶格基矢与基底晶格的基矢
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2．表面弛豫： 表面上原子相对于正常位置的位移。
• 晶体的三维周期性在表面处突然中断，表面上原 子的配位情况发生变化，并且表面原子附近的电 荷分布也有改变，使表面原子所处的力场与体内 原子不同，因此表面上的原子会发生相对于正常 位置的上下位移以降低体系的能量。
• 表面驰豫的最明显处是表面第一层原子与第二层 之间距离的变化，越深入体相，弛豫效应越弱， 并且是迅速消失。
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实际表面
• 实际表面——暴露在未加控制的大气环 境中的固体表面，或者经过一定加工处 理（如切割、研磨、抛光、清洗等）， 保持在常温和常压（也可能在低真空或 高温）下的表面。
（也称吸附表面）
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第二节 表面晶体学
• 固体材料通常以晶态和非晶态形式存在于 自然界。
• 这里主要以晶态物质来介绍表面结构。
• 晶体表面的缺陷：平台、台阶、扭折、表 面吸附、表面空位、位错。
• 各种材料表面上的点缺陷类型和浓度都依 一定条件而定，最为普遍的是吸附。
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TLK模型
• 单晶表面的TLK模型已被低能电子衍射 （LEED）等表面分析结果所证实