第二讲 表面科学与工程的基础理论[可修改版ppt]
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2．把表面在真空中进行热处理，使温度高到足以蒸发掉表 面的污染物
➢ 已成功地用来清洁一些难熔的金属表面(如钨和铌等金 属表面)，但这种方法不能除去像碳等难于蒸发的原子。
典型的固体表面
洁净表面的获得
3．离子多次轰击法
➢ 把样品表面在真空中循环地用惰性气体离子轰击和退火的方 法。
➢ 单次轰击后晶体内的杂质还可分离到表面上来，这种方法必 须进行多次的反复轰击和退火。
➢ 平台（terrace）、台阶(ledge)、 弯 结 (kink) 三 种 主 要 缺 陷 就 构 成 了晶粒表面缺陷的TLK模型。
典型的固体表面 2. 洁净表面
（4）偏析和吸附：指化学组分在表面区的变化。
固体表面的偏析和吸附
典型的固体表面
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。 晶体表面的缺陷： 点缺陷：空位对，空位团簇，吸附（偏析）的杂质原子等 线缺陷：位错在表面的露头 刃位错：直径为原子尺寸的一根管道
典型的固体表面
Biblioteka Baidu金属表面形貌对其表面特性的影响
❖ ①处于粗糙区域的原子比具有正常原子有更高的能量，具 有更高的表面自由能和表面流动性。
❖ ②影响金属表面间的实际接触面积和接触性质。金属表面 的接触，实际上是微凸体间的接触，此接触可为弹性接触 ，也可为塑性接触。
固体表面结构弛豫示意图
典型的固体表面 2. 洁净表面
（2）重构：表面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶 面，表面重构能使表面结构发生质的变化。
➢固体表面重构示意图
典型的固体表面
2. 洁净表面
（3）台阶化：指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成。
固体表面台阶示意图
➢ 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。
➢洁净表面存在着：弛豫、重构、台阶化、偏析和吸附等表 面现象。
典型的固体表面
➢2. 洁净表面
（1）弛豫：表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同 于体内间距(缩小或增大)的现象，即表面附近的点阵常数 在垂直方向上不同与晶体内部。
原因：晶体的三维周期性在表面处突然 中断，引起表面原子的配位数、附近的 电荷分布、所处的力场等均与体内原子 有所不同，因此使表面上的原子会发生 相对于正常位置的上、下位移，以降低 表面能量。
➢ 对于大多数表面都是有效的，还可以清除用第二种方法清除 不了的难蒸发的原子。
➢ 注意不要把表面打得粗糙或变成新的晶相表面。因此，近来 也有将离子轰击改为用低能电子轰击。
典型的固体表面
3. 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。 特点：表面粗糙度，表面组织，表面化学成分
典型的固体表面
实际表面的形态
实际表面就是我们通常接触到的表面
表面粗糙度
抛光后的金属表面
表面组织
表面化学成分
实际表面
3.机械加工后的表面
表面的粗糙度和波度构成了金属的表 面形貌。
❖ 粗糙度:加工表面所具有的微小凹凸和 微小峰谷所组成的微观几何形状就构 成了其特征，粗糙度的波距与波深之 比常常为150：1~5。
螺位错：表面形成台阶
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（或偏析）的外来杂质原子。
典型的固体表面
(1)刃型位错 ：正刃型位错（ ）、负刃型位错( )
➢
➢
典型的固体表面
刃型位错的几何特征： (1)位错线与其滑移矢量d垂直，刃型位错可以为任意
形状的曲线。 (2)有多余半原子面。
LOGO
第二讲 表面科学与 工程的基础理论
一、表面晶体学
❖1. 表面类型
理想表面 洁净表面 实际表面
典型的固体表面
❖1. 理想表面
理想表面：无限晶体中插入一个平面，分成两部分后形 成的表面。自然界很难获得理想表面。 特点：表面原子近邻原子数少，表面原子能量升高，表 面能，引起吸附。
无限晶体
理想表面
习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为 正刃型位错，用符号“┻”表示，反之为负刃型位错 ，用“┳”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原 子面左右对称。
典型的固体表面 (2)螺型位错：左螺型位错、右螺型位错
典型的固体表面
典型的固体表面
➢ 螺位错具有如下的几何特征：
➢ (1)螺位错线与其滑移矢量d平行，故纯螺位错只能
典型的固体表面
❖2. 洁净表面
➢洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化 学成分与体内相同，这种表面称为洁净表面。相对于表面 受污染表面和理想表面而言的。 ➢允许有吸附物，只有经过特殊处理方法得到，如高温处理。
➢清洁表面（定义）：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等) 以后的表面。 ➢清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。 ➢洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。
是直线。 ➢ (2)根据螺旋面的不同，螺位错可分左和右两种，
当螺旋面为右手螺旋时，为右螺位错，反之为左螺位 错。 ➢ (3)螺位错没有多余原子面，它周围只引起切应变 而无体应变。
典型的固体表面
洁净表面的获得
➢ 在表面技术的预处理中，常常要获得清洁表面。但 从清洁表面的定义上讲，用任何高效能洗涤剂清洗 过的晶体材料的表面，也不是清洁表面，因为材料 表面上必然会吸附有洗涤剂分子或空气中的某些成 分的原子。
❖ 波纹度:金属表面呈波浪形的有规律和 无规律的表面反复结构误差称为波纹 度。波纹度的波距与波深的比为： 1000：1~100。
它与表面工程技术的特征 及实施前的预备工艺紧密 联系，并严重影响材料的 摩擦磨损、腐蚀性能、表 面磁性能和电性能等。
材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要的概念之一。
典型的固体表面 表面粗糙度（surface roughness）
➢ 所以要获得清洁表面，必须采取一些特殊的处理措 施。
典型的固体表面
洁净表面的获得
1．在真空中解理晶体 ➢ 金属(合金)沿某些严格的结晶学平面发生分离的断裂(穿
晶)称为解理。 在真空条件下，使金属产生解理，可获 得清洁表面。
➢ 受可解理的材料和平面的限制，仅能解理几种金属的单 晶，如铍、锌、铋和 锑等。
➢ 已成功地用来清洁一些难熔的金属表面(如钨和铌等金 属表面)，但这种方法不能除去像碳等难于蒸发的原子。
典型的固体表面
洁净表面的获得
3．离子多次轰击法
➢ 把样品表面在真空中循环地用惰性气体离子轰击和退火的方 法。
➢ 单次轰击后晶体内的杂质还可分离到表面上来，这种方法必 须进行多次的反复轰击和退火。
➢ 平台（terrace）、台阶(ledge)、 弯 结 (kink) 三 种 主 要 缺 陷 就 构 成 了晶粒表面缺陷的TLK模型。
典型的固体表面 2. 洁净表面
（4）偏析和吸附：指化学组分在表面区的变化。
固体表面的偏析和吸附
典型的固体表面
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。 晶体表面的缺陷： 点缺陷：空位对，空位团簇，吸附（偏析）的杂质原子等 线缺陷：位错在表面的露头 刃位错：直径为原子尺寸的一根管道
典型的固体表面
Biblioteka Baidu金属表面形貌对其表面特性的影响
❖ ①处于粗糙区域的原子比具有正常原子有更高的能量，具 有更高的表面自由能和表面流动性。
❖ ②影响金属表面间的实际接触面积和接触性质。金属表面 的接触，实际上是微凸体间的接触，此接触可为弹性接触 ，也可为塑性接触。
固体表面结构弛豫示意图
典型的固体表面 2. 洁净表面
（2）重构：表面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶 面，表面重构能使表面结构发生质的变化。
➢固体表面重构示意图
典型的固体表面
2. 洁净表面
（3）台阶化：指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成。
固体表面台阶示意图
➢ 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。
➢洁净表面存在着：弛豫、重构、台阶化、偏析和吸附等表 面现象。
典型的固体表面
➢2. 洁净表面
（1）弛豫：表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同 于体内间距(缩小或增大)的现象，即表面附近的点阵常数 在垂直方向上不同与晶体内部。
原因：晶体的三维周期性在表面处突然 中断，引起表面原子的配位数、附近的 电荷分布、所处的力场等均与体内原子 有所不同，因此使表面上的原子会发生 相对于正常位置的上、下位移，以降低 表面能量。
➢ 对于大多数表面都是有效的，还可以清除用第二种方法清除 不了的难蒸发的原子。
➢ 注意不要把表面打得粗糙或变成新的晶相表面。因此，近来 也有将离子轰击改为用低能电子轰击。
典型的固体表面
3. 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。 特点：表面粗糙度，表面组织，表面化学成分
典型的固体表面
实际表面的形态
实际表面就是我们通常接触到的表面
表面粗糙度
抛光后的金属表面
表面组织
表面化学成分
实际表面
3.机械加工后的表面
表面的粗糙度和波度构成了金属的表 面形貌。
❖ 粗糙度:加工表面所具有的微小凹凸和 微小峰谷所组成的微观几何形状就构 成了其特征，粗糙度的波距与波深之 比常常为150：1~5。
螺位错：表面形成台阶
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（或偏析）的外来杂质原子。
典型的固体表面
(1)刃型位错 ：正刃型位错（ ）、负刃型位错( )
➢
➢
典型的固体表面
刃型位错的几何特征： (1)位错线与其滑移矢量d垂直，刃型位错可以为任意
形状的曲线。 (2)有多余半原子面。
LOGO
第二讲 表面科学与 工程的基础理论
一、表面晶体学
❖1. 表面类型
理想表面 洁净表面 实际表面
典型的固体表面
❖1. 理想表面
理想表面：无限晶体中插入一个平面，分成两部分后形 成的表面。自然界很难获得理想表面。 特点：表面原子近邻原子数少，表面原子能量升高，表 面能，引起吸附。
无限晶体
理想表面
习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为 正刃型位错，用符号“┻”表示，反之为负刃型位错 ，用“┳”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原 子面左右对称。
典型的固体表面 (2)螺型位错：左螺型位错、右螺型位错
典型的固体表面
典型的固体表面
➢ 螺位错具有如下的几何特征：
➢ (1)螺位错线与其滑移矢量d平行，故纯螺位错只能
典型的固体表面
❖2. 洁净表面
➢洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化 学成分与体内相同，这种表面称为洁净表面。相对于表面 受污染表面和理想表面而言的。 ➢允许有吸附物，只有经过特殊处理方法得到，如高温处理。
➢清洁表面（定义）：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等) 以后的表面。 ➢清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。 ➢洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。
是直线。 ➢ (2)根据螺旋面的不同，螺位错可分左和右两种，
当螺旋面为右手螺旋时，为右螺位错，反之为左螺位 错。 ➢ (3)螺位错没有多余原子面，它周围只引起切应变 而无体应变。
典型的固体表面
洁净表面的获得
➢ 在表面技术的预处理中，常常要获得清洁表面。但 从清洁表面的定义上讲，用任何高效能洗涤剂清洗 过的晶体材料的表面，也不是清洁表面，因为材料 表面上必然会吸附有洗涤剂分子或空气中的某些成 分的原子。
❖ 波纹度:金属表面呈波浪形的有规律和 无规律的表面反复结构误差称为波纹 度。波纹度的波距与波深的比为： 1000：1~100。
它与表面工程技术的特征 及实施前的预备工艺紧密 联系，并严重影响材料的 摩擦磨损、腐蚀性能、表 面磁性能和电性能等。
材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要的概念之一。
典型的固体表面 表面粗糙度（surface roughness）
➢ 所以要获得清洁表面，必须采取一些特殊的处理措 施。
典型的固体表面
洁净表面的获得
1．在真空中解理晶体 ➢ 金属(合金)沿某些严格的结晶学平面发生分离的断裂(穿
晶)称为解理。 在真空条件下，使金属产生解理，可获 得清洁表面。
➢ 受可解理的材料和平面的限制，仅能解理几种金属的单 晶，如铍、锌、铋和 锑等。