材料表面与界面考试必备
材料表界面期末考试卷
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材料表界面期末考试卷一、选择题(每题2分,共20分)1. 材料表界面的类型主要包括:A. 晶界B. 相界C. 界面D. 所有选项2. 晶界对材料性能的影响主要表现在:A. 强度B. 韧性C. 硬度D. 所有选项3. 相界是指:A. 两个晶体之间的界面B. 两个不同相之间的界面C. 晶体内部的界面D. 材料表面的界面4. 界面能是指:A. 界面处原子的化学能B. 界面处原子的表面能C. 界面处原子的结合能D. 界面处原子的内能5. 界面的稳定性与哪些因素有关:A. 界面能的大小B. 界面的几何形状C. 界面处的应力状态D. 所有选项6. 界面的微观结构包括:A. 晶粒大小B. 晶粒取向C. 晶界类型D. 所有选项7. 界面的宏观性能包括:A. 界面强度B. 界面韧性C. 界面硬度D. 所有选项8. 材料表界面的微观表征方法主要包括:A. 扫描电子显微镜(SEM)B. 透射电子显微镜(TEM)C. X射线衍射(XRD)D. 所有选项9. 材料表界面的宏观表征方法主要包括:A. 拉伸试验B. 硬度测试C. 冲击试验D. 所有选项10. 界面工程的目的在于:A. 提高材料的界面强度B. 改善材料的界面韧性C. 优化材料的界面性能D. 所有选项二、简答题(每题10分,共30分)1. 简述材料表界面的分类及其各自的特点。
2. 描述晶界强化机制,并举例说明其在实际材料中的应用。
3. 解释界面能对材料界面稳定性的影响。
三、计算题(每题15分,共30分)1. 假设一个立方体材料的晶粒尺寸为1mm,晶界面积与晶粒体积的比值为0.05。
计算该材料的晶界总长度。
2. 给定一个材料界面的界面能为50 mJ/m²,界面面积为100 m²,计算该界面的总界面能。
四、论述题(20分)论述材料表界面在材料科学中的重要性,并结合实例说明如何通过界面工程来改善材料的性能。
五、实验题(20分)设计一个实验来研究不同热处理工艺对材料晶界类型和界面能的影响,并简要说明实验步骤和预期结果。
材料表面工程复习考试重点终极版
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第一章表面技术的含义:表面技术是指通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理,改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态,以获得所需表面性能。
表面技术的目的:①提高材料抵御环境作用的能力。
②赋予材料表面某种功能特性,包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能。
③实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。
表面技术的实施方法:1.施加各种覆盖层 2.表面改性:表面技术的分类:4种基本类型:①原子沉积。
②颗粒沉积。
③整体覆盖。
④表面改性。
广义表面技术包括①表面技术的基础和应用理论。
②表面处理技术,它又包括表面覆盖技术、表面改性技术和复合表面处理技术3部分。
③表面加工技术。
④表面分析和测试技术。
⑤表面工程技术设计。
表面技术的应用理论(1)表面失效分析(2)摩擦与磨损理论(3)表面腐蚀与防护理论(4)表面结合与复合理论表面处理技术------表面覆盖技术表面改性技术复合表面处理技术表面技术的应用概况一、结构材料应用1材料防护主要指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀的能力。
2 提高材料耐磨性3表面强化4表面修复5表面装饰二、功能材料应用三、生活环境应用四、新材料开发应用1金刚石薄膜2类金刚石碳膜3立方氮化硼膜第二章表面的范围:金属为1-3个原子层;半导体4-6层;绝缘体为十至几十层。
表面的分类:1 理想表面2 清洁表面3 实际表面一、理想表面一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
表面原子排列与晶体内部相同。
理想表面实际上是不存在的。
二、清洁表面经过彻底清洗、烘干、溅射,并进行热处理后,保存在超高真空(10-12Torr)下的不存在任何污染的化学纯表面,称为清洁表面。
清洁表面结构:由于表面能的作用,在原子清洁的表面上可以发生多种与体内不同的结构和成分变化。
如:表面弛豫,表面重构,表面偏析,表面吸附,表面化合物,表面台阶(TLK模型)。
三、实际表面有一定的粗糙度、贝尔比层、残余应力、表面吸附及沾污等。
材料表界面考试资料【权威】
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日期:2010、4、22
题目分值:
计算题目40分(四道题目)
简答题目60分(分为两个部分:基础的-—20分和专业的40分)
以下是具体的考点:
计算题目的必考的公式:
一、四大方程的公式及其实际应用:
①Laplace 方程
②Kelvin 方程
③Gibbs 等温吸附方程
④Langmuir 吸附&BET吸附方程
注意:利用四大方程解释部分物理现象及其计算!
二、表面活性剂:HLB(亲疏平衡值的计算)——注意看书上相应的例题
三、固液表面:接触角的计算(Young方程)及润湿类型的判别
简答题目考点分布:
基础知识应用(20分):
1、表面张力的定义、
2、表面亏量和表面超量(正、负吸附)
3、五大吸附类型
4、BET公式解释现象、
5、表面活性剂的定义、作用、原理、典型亲油、亲水基团分类、
6、表面活性剂分类(注意非离子活性剂的判别)及其特征、
7、相表面温度(油包水、水包油)
8、接触角的定义、测定、
9粘附、浸湿、润湿的公式之间的关系
专业知识应用(40分):
陶瓷部分:
①晶界的描述、性质(光学、电学、力学等)以及晶界在功能陶瓷的应用(典型的是碳酸钡)、
②晶界偏析及其产生的原因、例题
玻璃部分:
①表面结构理论(威尔理论)、
②表面组分与体内组分不同及其原因、
③表面反应性能、
④表面处理(改性、镀膜)。
材料表面与界面知识复习资料题库
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1.液体原子结构的主要特征。
(1)液体结构中近邻原子数一般为5~11个(呈统计分布),平均为6个,与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大;(2)在液体原子的自由密堆结构中存在五种间隙,四面体间隙占了主要地位。
(3)液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的,而长程是无序的。
2.液体表面能的产生原因。
液体表面层的分子,一方面受到液体内层的邻近分子的吸引,另一方面受到液面外部气体分子的吸引,而且前者的作用要比后者大。
因此在液体表面层中,每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的不平衡力。
这种吸引力使表面上的分子趋向于挤入液体内部,促成液体的最小表面积。
要使液体的表面积增大就必须要反抗液体内部分子的吸引力而做功,从而增加分子的位能,这种位能就是液体的表面能。
3.液体表面张力的概念和影响因素。
液体表面层的原子或分子受到内部原子或分子的吸引,趋向于挤入液体内部,使液体表面积缩小,因此在液体表面的切线方向始终存在一种使液体表面积缩小的力,其合力指向液体内部的作用力,这种力称为液体表面张力。
液体的表面张力大小受很多因素的影响。
如果不考虑液体内部其它组元向液体表面的偏聚和液体外部组元在液体表面的吸附,液体表面张力大小主要受物质本身结构、所接触的介质和温度的影响。
(1)液体的表面张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力,因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的表面张力的大小。
一般来说,液体中原子或分子间的结合能越大,表面张力越大。
具有金属键原子结合的物质的表面张力最大;其次由大到小依次为:离子键结合的物质、极性共价键结合的物质、非极性共价键结合的物质。
(2)液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引,另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时,液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同,因此导致液体表面张力的不同。
一般来说,介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越高,液体的表面张力越小;反之,介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越低,液体的表面张力越大。
材料表面与界面复习题
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1.液体原子构造的主要特征。
〔1〕液体构造中近邻原子数一般为5~11个〔呈统计分布〕,平均为6个,与固态晶体密排构造的12个最近邻原子数相比差异很大;〔2〕在液体原子的自由密堆构造中存在五种间隙,四面体间隙占了主要地位。
〔3〕液体原子构造在几个原子直径范围内是短程有序的,而长程是无序的。
2.液体外表能的产生原因。
液体外表层的分子,一方面受到液体内层的邻近分子的吸引,另一方面受到液面外部气体分子的吸引,而且前者的作用要比后者大。
因此在液体外表层中,每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的不平衡力。
这种吸引力使外表上的分子趋向于挤入液体内部,促成液体的最小外表积。
要使液体的外表积增大就必须要对抗液体内局部子的吸引力而做功,从而增加分子的位能,这种位能就是液体的外表能。
3.液体外表张力的概念与影响因素。
液体外表层的原子或分子受到内部原子或分子的吸引,趋向于挤入液体内部,使液体外表积缩小,因此在液体外表的切线方向始终存在一种使液体外表积缩小的力,其合力指向液体内部的作用力,这种力称为液体外表张力。
液体的外表张力大小受很多因素的影响。
如果不考虑液体内部其它组元向液体外表的偏聚与液体外部组元在液体外表的吸附,液体外表张力大小主要受物质本身构造、所接触的介质与温度的影响。
〔1〕液体的外表张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力,因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的外表张力的大小。
一般来说,液体中原子或分子间的结合能越大,外表张力越大。
具有金属键原子结合的物质的外表张力最大;其次由大到小依次为:离子键结合的物质、极性共价键结合的物质、非极性共价键结合的物质。
(2)液体的外表张力的产生是由于处于外表层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引,另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时,液体外表的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同,因此导致液体外表张力的不同。
一般来说,介质物质的原子或分子与液体外表的原子或分子结合能越高,液体的外表张力越小;反之,介质物质的原子或分子与液体外表的原子或分子结合能越低,液体的外表张力越大。
材料表界面期末复习
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一、绪论二、1、表界面的定义及其种类。
定义;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。
种类:表界面通常有五类:气-液界面(表面),气-固界面(表面),液-液界面,液-固界面,固-固界面。
二、液体表面1、表面张力定义及表面自由能定义答:表面张力是单位长度上的作用力,单位是N/m,是功的单位或能的单位。
所以σ也可以理解为表面自由能,简称表面能。
表界面张力的热力学定义为:由能量守恒定律,外界所消耗的功存储于表面,成为表面分子所具有的一种额外的势能,也称为表面能。
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。
狭义的表面自由能定义: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。
(1J·m-2=1 N·m ·m-2=1 N·m-1)BnTpAG,,)/(∂∂=σσ的物理意义——(1)表面自由能(2)表面张力由于分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的,产生了净吸力。
而净吸力会在界面σ表示.2、计算:A、例: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:σ=4.85×10-1 Jm-2r1=1mm, r2=10-5 mmB 、试求25℃,质量m =1g 的水形成一个球形水滴时的表面能E1。
若将该水滴分散成直径2nm 的微小水滴,其总表面能E2又是多少?(已知25℃时水的比表面自由焓Gs 为72×10-3 J*m-2)解:设1g 水滴的体积为V ,半径为r1,表面积为A1,密度为ρ,则:3、Laplace 方程表达式就是Laplace 方程,是表面化学的基本定律之一。
材料表面界面考试知识点整理2023年修改整理
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1.原子间的键合方式及性能特点原子间的键合方式包括化学键和物理键,其中化学键又分为离子键,共价键和金属键,物理键又包括分子键和氢键.结合方式 晶体特性离子键 电子转移,结合力大,无方向性和饱和性 硬度高,脆性大,熔点高,导电性差共价键 电子共用,结合力大,有方向性和饱和性 强度高,硬度高,熔点低,脆性大,导电性差金属键 依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静导电性,导热性,延展性好,熔点较高 电引力使原子结合,电子逸出共有,结合力较大,无方向性和饱和性分子键 电子云偏移,结合力很小,无方向性和饱和性熔点低,硬度低氢键 氢原子同时与两个负电性很大而原子半径很小的原子结合而产生的具有比一般次价键大的键力,具有饱和性和方向性2.原子的外层电子结构,晶体的能带结构。
3.晶体(单晶、多晶)的基本概念,晶体与非晶体的区别。
单晶:质点按同一取向排列,由一个核心(晶核)生长而成的晶体;多晶:由许多不同位向的小晶体(晶粒)所组成的晶体.晶体 非晶体原子排列 规则排布 紊乱分布熔点 有固定的熔点 没有明显的熔点性能 各向异性 各向同性4.空间点阵与晶胞、晶面指数、晶面间距的概念,原子的堆积方式和典型的晶体结构。
空间点阵:呈周期性的规律排列的阵点所形成的具有等同的四周环境的三维阵列;晶胞:在空间点阵中,能代表空间点阵结构特点的最小平行六面体,反应晶格特性的最小几何单元;晶面指数: 在晶格中,通过任意三个不在同一直线上的格点作一平面,称为晶面,描写晶面方位的一组数称为晶面指数.一般选取晶面在三个坐标轴上的截距,取倒数作为晶面指数;晶面间距:两近邻晶面间的垂直距离;原子的堆积方式:六角堆积和立方堆积;典型的晶体结构:面心立方结构,体心立方结构,密排六方结构.5.表面信息猎取的要紧方式及基本原理能够通过光子,电子,离子,声,热,电场和磁场等与材料表面作用,来猎取表面的各种信息,或者利用原子线度的极细探针与被测材料的表面近距离接近,探测探针与材料之间的信号,来猎取表面信息.电子束技术原理:离子束技术原理:离子比光子电子都重,它轰击表面时产生的效应特别明显.离子不但具有电荷还有电子结构和原子结构,当离子与表面接近时,除具有静电场和接触电势差作用外,它本身还能够处于不同的激发电离态,离子还能够与表面产生各种化学反应,总之,离子与表面作用后,提供的信息特别丰富.光电子能谱原理:扫描探针显微镜技术原理:6.为什么XPS可获得表面信息,而X射线衍射只能获得体信息?[略]X射线衍射(XRD)是利用晶体形成X射线衍射,对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法.将具有一定波长的X射线照耀到晶体上时,X射线因在晶体内遇到规则排列的原子或离子而发生散射,散射的X射线在某些方向上加强,从而显示与晶体结构相应的特有衍射现象.7.利用光电子能谱(XPS)和俄歇电子能谱(Auger)进行表面分析的基本原理和应用范围。
材料科学基础--材料表面与界面(专业课)
![材料科学基础--材料表面与界面(专业课)](https://img.taocdn.com/s3/m/08bf869702d276a200292ea6.png)
正确答案:A.1/11重合位置点阵
5.下列对变形储能描述正确的是( )。
正确答案:A.变形储能越大,变形储能差值越大,界面的迁移速率越大。
多选题
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2.小于六边形晶粒,向外凸迁移最终会消失。
正确答案:对
3.溶解度低的溶质原子在晶界偏析的程度大。
正确答案:对
6.晶界、亚晶界是晶体结构和组成成分相同、但取向不同的两部分晶体的界面。
正确答案:对
7.扭转晶界是由两组相交的螺型位错所构成。
正确答案:对
正确答案:A.机械作用界面 C.凝固共生界面 D.熔焊界面
6.孪晶界面分为( )。
正确答案:
判断题
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正确答案:A.晶界曲率是晶界迁移的驱动力 B.界曲率是向凹侧推进
3.小角晶界包括( )。
正确答案:A.对称倾侧晶界 B.不对称晶界 C.扭转晶界
4.下列描述中正确的是( )。
正确答案:A.变形储能越大,变形储能差值越大。 C.变形储能越大,界面的迁移速率越大
5.下面对常见的材料表面按其形成途径分类描述正确的( )。
1.析出物形状是由( )两个互相竞争着的因素所决定。
《材料表面与界面-表面化学部分》考试大纲(复试)
![《材料表面与界面-表面化学部分》考试大纲(复试)](https://img.taocdn.com/s3/m/f7e0a61f78563c1ec5da50e2524de518964bd321.png)
中国地质大学研究生院硕士研究生入学考试复试《材料表面与界面-表面化学部分》考试大纲试卷结构填空题与选择题约30%名词解释与简答题约70%一、液体表面考试内容表面张力与比表面自由能等概念,液体表面几种典型表面现象。
考试要求1. 掌握比表面自由能与表面张力的概念。
2. 掌握弯曲液体的表面(界面)现象:附加压力及Laplace公式,毛细现象,kelvin公式。
3. 熟悉影响表面张力的因素。
4. 了解液体表面张力的测定。
5. 了解液体二元系统的表面张力及热力学,Gibbs吸附等温线。
二、表面活性剂考试内容表面活性剂的结构及类型,表面活性剂的基本性质:CMC、Krafft point、cloud point,HLB的计算。
考试要求1. 掌握表面活性剂的结构及类型。
2. 掌握表面活性剂的基本性质:CMC、Krafft point、cloud point。
3. 熟悉表面活性剂结构与性能的关系及HLB的计算。
4. 了解表面活性剂在液体表面及在液体内部的行为特点及在化学和材料科学中的应用。
三、液液界面考试内容液液界面与界面张力、粘附功、铺展系数等概念,液液界面几种典型界面现象,乳状液及微乳状液的基本知识。
考试要求1. 掌握液液界面、界面张力、粘附功、铺展系数等概念。
2. 熟悉液液界面的形成、液液界面上的吸附、超低界面张力等内容。
3. 熟悉乳状液及微乳状液的形成及应用。
4. 了解液液界面张力测定方法.5. 了解不溶物表面膜的概念及应用。
四、固体表面考试内容固体表面的基本特性,固体表面张力、表面应力、比表面自由能的概念,物理吸附与化学吸附的基本概念,Langmuir单分子层吸附模型,BET多分子层吸附模型及比表面积的测定及计算。
考试要求1. 掌握固体表面的基本特性,固体表面张力、表面应力、比表面自由能的概念,2. 掌握物理吸附与化学吸附的基本概念及其区别。
3. 掌握固体表面的吸附以及吸附理论模型(Langmuir单分子层吸附模型,BET多分子层吸附模型),固体比表面积的计算。
材料基础 第8章 材料表面与界面
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8.7 材料的复合定理
● 材料的复合原理
● 8.1 基础知识
● 8.1.1 物质表面
界面: 定义:指不同的相间或同一相的不同取向区域之间的 分界面。 界面是晶体中的面缺陷,对晶体材料的性质和发生的 转变过程有重要影响。
常见的材料表界面类型可以按照其分界面两侧相的类 型划分为:
1、气-固界面 2、液-固界面
实验观察到的对称倾转晶界
不对称倾侧晶界: 如果倾侧晶界的界面绕X轴 转了一个角度ф,两晶粒之间 的倾侧角度为θ,θ角仍然很 小,但是,界面相对于两晶粒 是不对称的,所以称为不对称 倾侧晶界。
它有ф和θ两个自由度,
在这种情况下,只靠垂直的同号刃型位错(柏氏矢量 为b)排列就不够了,还要加入另一组其柏氏矢量b1与b垂 直的位错。
晶界中位错的间距D可按下式求得:
D
b
2sin
2
式中b为柏氏矢量。 当θ值很小时,
b
D
假如θ=1º,b=0.25nm,则位错间距为14nm。 当θ=10º时, b=0.25nm,位错间距离仅1.4nm,即只有5 个原子间距,
此时位错密度太大,说明此模型不很适用。
θ大时,这个模型不适用。
实验已经证明倾侧晶界的存在。许多研究者应用缀饰 法和电子显微镜薄膜透射方法,也都观测到了这类晶界。
[-100] E
b1 b
A
C
不对称倾转 晶界的位错 模型(简单 立方)
B
两组位错各自之间的距离分别为:
D
b
cos
D1
b1 sin
这两组位错的数量取决于θ角及ф角
扭转晶界 将一个晶体沿中间平面切开,然后使右半晶体绕Y轴转过θ 角,再与左半晶体会合在一起,形成图示的晶界。
材料表面与界面-习题含答案
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第一章1、什么是Young方程?接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系?答:Young方程:界面化学的基本方程之一。
它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv,γSL,γLv与接触角θ之间的关系式,亦称润湿方程,表达式为:γsv—γSL=γLv COSθ。
该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。
关系:一般来讲,接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据,若θ=0。
cosθ=1,液体完全润湿固体表面,液体在固体表面铺展;若0<θ<90°,液体可润湿固体,且θ越小,润湿性越好;90°<θ<180°,液体不润湿固体;θ=180°,完全不润湿固体,液体在固体表面凝集成小球。
2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象,在夏天的乌云中,用飞机撒干冰微粒,试气温骤降至293K,水气的过饱和度(P/Ps)达4,已知在293K时,水的表面能力为0.07288N/m,密度为997kg/m3,试计算:(1)在此时开始形成雨滴的半径。
(2)每一雨滴中所含水的分子数。
答:(1)根据Kelvin公式有开始形成的雨滴半径为:将数据代入得:(2)每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ,n=m/M= V/M,得3、在293k时,把半径为1.0mm的水滴分散成半径为1.0μm的小水滴,试计算(已知293K时水的表面Gibbs自由为0。
07288J 。
m—2)(1)表面积是原来的多少倍?(2)表面Gibbs自由能增加了多少?(9分)答:(1)设大水滴的表面积为A1,小水滴的总表面积为A2,则小水滴数位N,大水滴半径为r1,小水滴半径为r2.又因为将大水滴分散成N小水滴,则推出=故有即表面积是原来的1000倍。
(2)表面Gibbs自由能的增加量为=4*3。
142*0。
07288*[109*(10—6)2—(10-3)2]=第二章1、什么是CMC浓度?试讨论影响CMC的因素。
请设计一种实验测定CMC的方法。
材料表面与界面考试必备
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材料表面与界面考试必备一、名词解释1.表界面:由一个相过渡到另一相的过渡区域。
2.表面:习惯上把固-气、液-气的过渡区域称为表面。
界面:把固-液、液-液、固-固的过渡区域称为界面。
物体与物体之间的接触面。
界面-两种物质(同种或不同种)之间的接触面、连接层和分界层。
3.理想表面:理论上结构完整的二维点阵平面。
4.清洁表面:不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理-化学效应的表面。
(表面的化学组成与体内相同,但结构可以不同于体内)5.驰XX表面:指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距d s和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
6.驰XX: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,这种情况称为弛XX。
7.重构表面: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。
8.XX阶表面:表面不是平面,由规则或不规则XX阶组成。
9.表面偏析:杂质由体内偏析到表面,使多组分材料体系的表面组成与体内不同。
10.吸附表面:在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。
11.平移界面:在结构相同的晶体中,一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量。
其间的界面称为平移界面。
12.反演界面:当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时,由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。
13.表面能:可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功,单位是J/m2。
14.表面张力:是单位长度上的作用力,单位是N/m。
15.晶界:同质材料形成的固体/固体界面为晶界。
16.相界:异质材料形成的固体/固体界面为相界。
二、简答、简述1、表界面通常可以分为哪5类?固-气;液-气;固-液;液-液;固-固。
2、获得理想表面的理论前提?(1)、不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响;(2)、不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等;(3)、不考虑外界对表面的物理-化学作用等;(4)、认为体内原子的位置与结构是无限周期性的,则表面原子的位置与结构是半无限的,与体内完全一样。
材料表面与界面复习题
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材料表面与界面复习题第一章1.试述表面张力(表面能)产生的原因。
怎样测试液体的表面张力?(1)原因液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。
液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力,也受到指向气相的气体分子的吸引力,由于气相吸引力太小,这样,气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用,即为表面张力。
这里的分子间作用力为范德华力。
(2)测试①毛细管上升法测定原理将一支毛细管插入液体中,液体将沿毛细管上升,升到一定高度后,毛细管内外液体将达到平衡状态,液体就不再上升了。
此时,液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。
则丫=1 /2( p l- p g)ghrcos6 (1)(1)式中Y为表面张力,r为毛细管的半径,h为毛细管中液面上升的高度,p l为测量液体的密度,P g为气体的密度(空气和蒸气),g为当地的重力加速度,e为液体与管壁的接触角。
若毛细管管径很小,而且B =0时,则上式(1)可简化为Y =1/2 p ghr (2)②Wilhelmy盘法测定原理用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上,测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力,由此得表面张力,公式为:W 总-W 片=2 丫lcos©式中,W总为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W 片为薄片的重力,l为薄片的宽度,薄片与液体的接触的周长近似为2l,4为薄片与液体的接触角。
③悬滴法测定原理悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。
在一定平面上,液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。
由Laplace公式,描述在任意的一点P曲面内外压差为式中R1, R2为液滴的主曲率半径;z为以液滴顶点0为原点,液滴表面上P的垂直坐标; P0为顶点O处的静压力。
定义S= ds/de式中de为悬滴的最大直径, ds为离顶点距离为de处悬滴截面的直径再定义H= 3 (de/b)2 则得丫= ( p l- p g)gde2/H 式中 b 为液滴顶点O处的曲率半径。
表面与界面习题
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Chapter11、表面与界面的定义。
1)表面:固体与真空的界面;2)界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”2、叙述表面与本体的不同点。
表面与本体:结构、化学组成、性质都存在不同。
材料与外界的相互作用是通过表面来进行的。
因此,表面具有特殊性,它的性质将直接影响材料的整体性质。
材料的性质虽然与组成的本体有关,但其表面对性能的影响却占很大的比重。
因为,不少性能是通过表面来实现的,如表面硬度、表面电导,同时,材料某些性能将通过表面受到外界环境的影响。
3、什么叫相界面?有哪几类?1)相界面:相邻相之间的交界面成为相界面。
2)分为3类:固相与固相的界面,固相与气相的界面,固相与液相的界面。
4、材料表面与界面的表征手段有哪些?材料表面与界面的表征主要通过对比表面积、表面张力(表面能)等测定来实现1)比表面积a静态吸附法(BET)(测量准确度和精度都很好,但达到吸附平衡慢,仪器装置较复杂,需要高真空系统,并且要使用大量的汞,逐步被动态吸附法所取代)b动态吸附法:常压流动法,气相色谱法(操作简单而快速)2)表面张力a高聚物熔体表面张力外推法(Y*T成直线关系,测定不同温度下高聚物熔体的表面张力,外推到20°C时的表面张力)b Zisman的浸润临界表面张力法(测定固体在已知表面张力的液体中的接触角)C还有几何平均方程求解法、状态方程测求法等等d理论计算:等张比容法、内聚能密度法、Tg参数计算法5、试述表面张力产生的原因。
材料的表面结构和性质与其本体有明显的差别,这是因为位于材料本体的原子受到周围原子的相互作用是相同的,处于对称力场之中,总的作用之和等于0;而处于表面的原子只有局部受到与本体相同的相互作用,而其余的部分则完全不同,表面由此产生表面张力。
6、单位体积的物体所具有的表面积称为比表面,请得出下列结果:(1)半径为r的球形颗粒,其比表面为:(2)质量为m,密度为p的球形颗粒的比表面:(3)边长为L的立方体的比表面为:(4)质量为m,密度为p的立方体的比表面为:沪3[欝严[韵"7•水蒸气迅速冷却至25C会发生过饱和现象。
材料物理化学 表面与界面 习题
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球状较稳定,还是在境界上呈双球冠形较为稳定?
(b)如果 β 在晶界上呈薄膜状,情况又将如何?
解:(a)若设 γ αβ 为 α-β 界面上的表面张力; γ αα 为 α -α 界面上的表面张力。 当 β 相为球冠状存在于晶界上时,如图 5-12-1 示,表面能为:
(γ
)
A晶
界
=
2[
2
r
2 α
β
(1
3)真实表面:它是在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空 间吸附在表面上的质点所构成的表面。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。
4、固体表面的驰豫与无机超细粉体性能之间有何关系? 解: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。
材料物理化学
湖南工学院
粉体:微细的固体微料集合体,原料加工成微细颗粒以利于成型和烧结。粉体制备:反 复粉碎形成一系列新表面。而离子极化变形重排畸变有序性降低,随粒子的微细化从表 面增大,无序性增大并向纵深发展,不断影响内部结构,最后使粉体表面结构趋于无定 形化。
一种认为粉体表面层是无定形结构。一种认为粉体表面层是粒度极小的微晶结构。 所以在无机超细粉体上可以发生表面驰豫现象。
解:每 1g 石英所占体积 1/2.65=0.3774cm3/g
一粒石英所占体积
4 / 3 r 3= 4 / 3 π (10 4 ) 3 = 4 .188 10 - 12 cm 3
每克石英含粒子数
0 .3774
= 9 10 10
4 .188 10 12
1 .02 = 0 .3849 cm 3 / g
材料表面与界面标答
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2012研“材料表面与界面”期末考试标准答案一、表界面的定义是什么?举例说明研究材料表界面现象的重要意义。
1、表面定义界面定义分为5大类:固-气、液-气、固-液、液-液、固-固;其中前两者称为表面,后三者称为界面。
(10分)2、腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等。
(10分)二、溶质加到溶剂中可引起其表面张力的变化,简述溶质浓度对溶剂表面张力影响的三种类型。
哪种类型的物质可以称为表面活性剂?表面活性剂如何分类?1、三种类型:1)表面张力随溶质浓度的增加几乎成直线关系上升;2)表面张力随溶质浓度的增加而下降;3)加入少量可显著降低溶液的表面张力。
第三种类型的物质可以称为表面活性剂。
(10分)2、按亲水基类型分类:阴离子、阳离子、两性、非离子按分子量分类:低分子量、中分子量、高分子量按工业用途分类(10分)三、简述陶瓷材料表面结构、晶界、相界的特点。
陶瓷为无机非金属粉末晶体在一定条件下形成的多晶聚集体。
(5分)表面:无论经过多么精细的研磨、抛光处理,其表面都是相当不平整的,除明显起伏外,还有裂纹和空洞。
(5分)晶界:晶界可分为孪晶界、小角度晶界和大角度晶界三种。
(5分)相界:相界并不是单纯的一个面而是一个过渡层,有多个分子层。
陶瓷经过严格研磨抛光后,在距表面1微米内,晶粒尺寸与体内明显不同;特别在距表面0.1微米的范围,晶粒尺寸很细,相界区有非晶态存在。
(5分)四、填空题(1) 33.2、41.5及42.0;66.4、83.0及84.0 (1分)聚氯乙烯的极性使得其表面焓较大(1分)大体积苯环的存在使其表面熵较小(1分)(2) 17.9;12.7;(1分)22.1;(1分)0.758 (1分)(3) ⎪⎭⎫⎝⎛--+-)1ln()1()ln(nnnrnk(1.5分)⎪⎭⎫⎝⎛--+-)1ln()1()ln(nnnrnk(1.5分)(4)⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛'-Ω222221dzdnbzznεε(1.5分)Ωzn2ε(1.5分)(5) ⎰∞∞-⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎭⎫⎝⎛'--+⎪⎭⎫⎝⎛--+Ω=dzdzdnbznnznnnrnkT222)1(2)1ln()1()ln(1εεγ(3分)五、判断题(1) ( √ ) (1分)(2) ( √ ) (1分)(3) (×) (1分)(4) ( √ ) (1分)(5) (×) (1分)(6) ( √ ) (1分)(7) ( √ ) (1分)(8) ( √ ) (1分)(9) (×) (1分)(10) ( √ ) (1分)六、简答题(1) a) 高能粒子轰击聚合物表面产生大量自由基,形成致密的交联结构;(1分)b) 若被处理聚合物结构中含氧,则轰击使大分子链断裂分解产生活性氧,其效果类似于氧等离子处理;(1分)c) 轰击产生的新生自由基半衰期长,能与空气中氧作用,导致氧结合到大分子链上。
表界面每章重点
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每章重点第一章3、固体材料表面上可以发生哪五种结构和成分变化? 答:弛豫、重构、台阶化、吸附、偏析5、在讨论实际问题时,为什么表面能取决于表面自由能?对于液体来说,用它们的量纲 说明,表面张力与表面能在数值上是相等的。
答:E S =F S +TS S ,实验结果表明,由表面熵决定的表面束缚能TS S 远远小于表面自由能F s ,因此在讨论实际问题时,可以忽略表面束缚能对表面能的贡献,即表面能取决 于表面自由能对于液体来说,表面张力与表面能在数值上相等同。
(mN/m=mJ/m2=mN • m/m2)第二章2、单位体积物体所具有的表面积称为比表面,对于半径为 r 的球形颗粒、边长为 L 的立方体,分别求出它们的比表面。
(比表面:单位体积的物质所具有的表面积有改动)(1)半径为r 的球形颗粒,其比表面为: S= 3 / r证明:球形颗粒的表面积 Sr=4 n r A 2球形颗粒的体积 Vr=4/3 n 「人3 故,比表面:S=Sr / Vr = 3/ r⑵质量为m 、密度为p 的球形颗粒的比表面:⑶ 边长为L 的立方体的比表面:23证明:面积 S L =6L ,体积V = L3m证明:Sr =11卜4XP 丿_Sr有改动2比表面:2E S L6L 6S 二二 3 二V L3L1⑷质量为m、密度为T的立方体的比表面:S=6丄'(证明方法同上)5丿4、弯曲面的附加压力△ p与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系?若弯曲面为球面,平面又怎样?答:⑴ 关系为:Lap lace方程七P=cr \ —丄(记住公式)1「1 “ 丿2石(2)球面r— = r2p =r(3)平面r—p = 0 即跨越平面没有压差6、水蒸气迅速冷却到25C时会发生过饱和现象。
已知25 C时水的表面张力d=71.49mN/m,当过饱和水蒸气压为水的平衡蒸气压4倍时,开始形成水滴的半径。
解:用Kelvin公式计算:p 2 ?V 2;「MRT In (请大豕把这个公式记住,会考大题P r :r的)P为过饱和蒸气压,P o为平衡蒸气压有改动25C是水的:密1度00kg m3、亠20°C是水的密9度8.2kg. m3注意有时不会告诉水的所密A度大家记住T = 1000kg. m3; =71.49 10; N m; M -18 10‘kg mol注意M 的单位T F25 273 K =298K; —-4; R=8.314J mol K P。
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一、名词解释1.表界面:由一个相过渡到另一相的过渡区域。
2.表面:习惯上把固-气、液-气的过渡区域称为表面。
界面:把固-液、液-液、固-固的过渡区域称为界面。
物体与物体之间的接触面。
界面-两种物质(同种或不同种)之间的接触面、连接层和分界层。
3.理想表面:理论上结构完整的二维点阵平面。
4.清洁表面:不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理-化学效应的表面。
(表面的化学组成与体内相同,但结构可以不同于体内)5.驰豫表面:指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距d s和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
6.驰豫: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,这种情况称为弛豫。
7.重构表面: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。
8.台阶表面:表面不是平面,由规则或不规则台阶组成。
9.表面偏析:杂质由体内偏析到表面,使多组分材料体系的表面组成与体内不同。
10.吸附表面:在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。
11.平移界面:在结构相同的晶体中,一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量。
其间的界面称为平移界面。
12.反演界面:当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时,由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。
13.表面能:可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功,单位是J/m2。
14.表面张力:是单位长度上的作用力,单位是N/m。
15.晶界:同质材料形成的固体/固体界面为晶界。
16.相界:异质材料形成的固体/固体界面为相界。
二、简答、简述1、表界面通常可以分为哪5类?固-气;液-气;固-液;液-液;固-固。
2、获得理想表面的理论前提?(1)、不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响;(2)、不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等;(3)、不考虑外界对表面的物理-化学作用等;(4)、认为体内原子的位置与结构是无限周期性的,则表面原子的位置与结构是半无限的,与体内完全一样。
3、怎样获得清洁表面?/获得清洁表面的几种方法?①在获得超高真空的同时获得清洁的表面。
②用简单的加热方法去除表面的沾污。
③在化学气氛中加热去除那些通过简单加热不能清除的化学吸附沾污。
④对于较顽固的沾污,可以利用惰性气体离子(如Ar+、Ne+)轰击表面而有效地清除污染。
⑤对于一些晶体,可以采用沿特定的晶面自然解理而得到清洁表面。
⑥在适当的基片上通过真空蒸发法获得预想的单晶和多晶薄膜,作为研究对象的清洁表面。
4、什么是吸附表面以及用图文说明吸附表面的四种吸附吸附表面即在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。
根据表面的四种吸附位置可以分为顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附四种吸附方式。
上为俯视图,下为剖视图,顶吸附5、固体界面类型从晶体学角度,可以分为平移界面、孪晶界面和反演界面;从实用角度可分为气固界面、半导体界面、薄膜界面和超晶格界面。
平移界面:在结构相同的晶体中,一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量。
其间的界面称为平移界面。
包括堆垛层错、反相畴界和结晶切变面等面缺陷。
A.P.B –—平移矢量不等于点阵矢量,为层错。
孪晶界面:其隔开的两部分晶体间以特定的取向关系相交接, 从而构成新的附加对称元素,如反映面、旋转轴或对称中心。
反演界面:当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时,由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。
6、固体表面的基本特性理想的晶体由原胞组成,并具有三维周期性。
但实际物质不是无限的,在晶体中原子或分子的周期性排列发生大面积突然终止的地方就出现了界面,如固体-液体、固体-气体及固体-固体的界面,常把固体-气体(或真空)、固体-液体的界面称为固体的表面。
表面是一个抽象的概念,实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面,把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面,而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。
7、金属表面(工程表面)实际构成示意图对于给定条件下的表面,其实际组成及各层的厚度与表面制备过程、环境以及材料本身的性质有关。
8、表面成分(1)、金属表面成分一般特征:“金属/过渡层/空气”,过渡层中常由氧化物、氮化物、硫化物、尘埃、油脂、吸附气体(氧、氮、二氧化碳和水汽等)所组成,其中以氧化物最为常见;(2)、合金表面成分一般特征:“金属/过渡层/空气”,其过渡层中出现的情况更为复杂。
过渡层常见氧化物,但可能出现硫化物和碳化物等。
(3)、氧化物表面成分一般特征:空气/非化学计量层/氧化物。
非化学计量层形成:表面缺陷形成比较容易,如氧空位。
(4)、玻璃表面成分玻璃表面:空气/表面组成/设计组成。
表面组成:表面能小的氧化物易在玻璃表面富集,如P bO,B2O3氧化物。
9、典型表面结构图变形层又称应变层或加工硬化层,它是材料表面区域的重要组成部分。
摩擦过程也会形成变形层。
贝氏层是加工过程中表面分子产生溶解和表面产生流动之后淬火硬化而沉积的表层,它属于非晶或微晶结构。
表面吸附是实际固体重要的表面现象,它的存在可以显著降低表面的系统能量。
10、表面结构的表示方法当晶体解理时,由于各种因素的影响,很难得到完整的平面结构,如果畸形程度小,可以近似地认为是平面。
还常常出现一种比较有规律的非完全平面结构,称之为台阶结构。
对于平面结构和台阶结构,分别用不同的方法表述。
根据表面原子的排列,清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。
(1)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。
由于晶体内部缺陷的存在等因素,使晶体内部应力场分布不均匀,加上在解理晶体对外力情况环境的影响,晶体的解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理,而是伴随着相邻的倾斜晶面的开裂,形成层状的解理表面。
它们由一些较大的平坦区域和一些高度不同的台阶构成,称为台面-台阶-拐结(Terrace-Ledge-Kink)结构,简称台阶结构或TLK结构.(2)平坦表面包括弛豫表面和重构表面。
平坦表面表述方法,一般采用Wood(1963)方法。
这种方法主要是以理想的二维点阵为基,描述发生点阵畸变的清洁表面点阵结构。
畸变后的表面通常称为再构表面,再构是由原子的重排和弛豫所致。
11、表面原子驰豫表面原子由于在某一方向失去相邻原子,可导致偏离平衡位置的弛豫。
弛豫可以发生在表面以下几个原子层的范围内。
表面第一层原子的弛豫主要表现为纵向弛豫。
一般说来,某一原子在某一方向的弛豫,必然引起其它原子以及邻层原子的弛豫。
在很多半导体材料以及金属材料、离子晶体等材料中均可观察到表面原子弛豫的存在。
表面原子的弛豫,不仅造成了晶体宏观上的膨胀与压缩,而且导致了表面二维点阵的变化,成为再构表面。
原子的弛豫,大致可以分为以下几种类型,即:压缩效应、驰张效应、起伏效应及双电层效应。
(1)压缩效应表面原子失去空间方向的相邻原子后,体内原子对表面原子的作用,产生了一个指向体内的合力,导致表面原子向体内的纵向弛豫。
(2)弛张效应在少数晶体的某些表面发生原子向体外移动的纵向弛豫,造成了晶体的膨胀。
这种情况多由于内层原子对表层原子的外推作用,有时也由于表面的松散结构所致。
即表面层内各原子间的距离普遍增大,并且可波及表面内几个原子层,造成晶体总体在某一方向的膨胀。
一般的弛张效应多出现在金属晶体及其化合物表面。
(3)起伏效应对于半导体材料如Ge、Si等具有金刚石结构的晶体,可以在(111)表面上观察到,有的原子向体外方向弛豫,有的原子向体内弛豫;而且这两种方向相反的纵向弛豫是有规律地间隔出现的。
即有起有伏,称之为起伏效应。
(4)双电层效应对于多原子晶体,弛豫情况将更加复杂。
在离子晶体中,表层离子失去外层离子后,破坏了静电平衡,由于极化作用,造成了双电层效应。
在LiF及NaCl晶体表面均明显地出现双电层结构。
12、用于表面分析的探针,应满足哪些条件?(1)与表面层物质有较强的相互作用。
(由于表面层极薄,如果表面探针与表面互作用弱,就难以用较大的信噪比把表面的特有信息携带出来。
)(2)探针基本不穿透表面。
(一旦探针粒子进入体内,必然把体内信息同时引出。
)在探针未获得信息前不得破坏表面原子结构。
(3)灵敏度、分辨率高。
(一般分辨尺寸应小于或远小于原子间距。
原子间距大约在1~3Å左右,故采用微观粒子束,如电子、短波光子、轻离子等做表面探针材料可以达到要求。
)13、表面探针与表面的相互作用14、常见的表面分析方法(给出英文全称以及中文含义,说明什么方法什么原理)AES (Auger Electron Spectroscopy) 俄歇电子谱LEED (Low Energy Electron Diffraction) 低能电子衍射RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) 反射高能电子衍射EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy) 电子能量损失谱HREELS (High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy) 高分辨电子能量损失谱FIM (Field Ion Microscopy) 场原子显微镜FEM (Field Emission Microscopy) 场发射显微镜PEEM (Photo Emission Electron Microscopy) 光电发射电子显微镜XRD(X-Ray Diffraction) X射线衍射谱UPS (Ultraviolet Photoemission Spectroscopy) 紫外线电子谱XPS (X-ray Photoemission Spectroscopy) X射线光电子谱SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) 表面增强拉曼电子谱IRAS (Infrared Absorption Spectroscopy) 红外吸收光谱ISS (Ion Scattering Spectroscopy) 离子散射谱SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) 二次离子质谱HSS (Helium Scattering Spectroscopy) 高能散射电子谱TPD (Temperature-Programmed Desorption) 程序升温脱附法TPR (Temperature-programmed Reduction 程序升温还原法STM (Scanning Tunneling Microscopy) 扫描隧道显微镜法Work Function MeasurementsAFM (Atomic Force Microscopy) 原子力显微镜法15、二次电子与俄歇电子的含义入射电子和原子的价电子发生非弹性碰撞,使价电子获得入射电子损失的能量,而脱离原子核的束缚逃逸到真空中,所产生的为二次电子。