第2章 表面科学的某些概念和理论 高中其它科目ppt课件教案

第二章 表面科学的某些基本概念 和理论 第一节 固体材料及其表面 l一、固体材料 l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 l金属材料、 l无机非金属材料 l和有机高分子材料三类。 l金属材料包括各种纯金属及其合金。 l塑料、合成橡胶、合成纤维等称为有机高 分子材料。 l还有许多材料，如陶瓷、玻璃、水泥和耐 火材料等，既不是金属材料，又不是有机 高分子材料，人们统称它们为无机非金属 材料。 l此外，人们还发展了一系列将两种或两种 以上的材料通过特殊方法结合起来而构成 的复合材料。 结构材料 l固体材料按所起的作用可分为 功能材料 l结构材料 l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。 功能材料 l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）。 l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。 l所谓功能材料，就是指在电、光、热、磁 、催化、分离、生物和医学等方面具有特 殊功能的材料。 l例：医用功能材料主要就是指用于制造人 体器官的材料，故又有生物医用材料之称 。医用功能材料的品种繁多，它既有各种 合成高分子材料，又有多种金属及精密陶 瓷等。 二、材料表面 l 物质存在的某种状态或结构，通常称为某一相 。 l 严格地说，相是系统中均匀的、与其他部分有 界面分开的部分。 l 所谓均匀的，是指这部分的成分和性质从给定 范围或宏观来说是相同的，或是以一种连续的 方式变化，也就是没有突然的变化。 l 在一定温度和压力下，含有多个相的系统为复 相系。 l 两种不同相之间的交界区称为界面。 固体材料的界面有三种： l （l）表面固体材料与气体或液体的分界面。 l （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 。由于晶界上原子的排列是不同位向的晶粒的过渡状态， 因而晶界上原子排列较不规则。实验证明，每一个晶粒内 的晶格位向也并非完全一致，但这些位向相差很小，形成 亚晶界。 l （3）相界固体材料中成分、结构不同的两相 之间的界面。 单晶体：内部晶格位向完全一致 的晶体（理想晶体）。如单晶Si半导体 。 多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。 晶粒（单晶体 ） 晶界 晶界 l我们研究的对象是表面。对于固体材料与 气体界面，又有两种不同的对象： l（1）清洁表面 l（2）实际表面 清洁表面 l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106Pa109Pa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。 实际表面 l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。 第二节 表面晶体学 l固体材料通常以晶体和非晶体形式存在于 自然界。 l这里主要以晶体物质来介绍表面结构。 晶体 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。 非晶体 ： 蜂蜡、玻璃 等。 晶体固态金属 金刚石、NaCl、等。 非晶体 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。 液体 晶体的概念 原子（离子）的刚球模型 原子中心位置 晶体结构 晶胞 晶格 模型 晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。 晶胞：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。 一、理想表面结构 l理想表面是一种理论的结构完整的二维点 阵平面。 l这里忽略了晶体内部周期性势场在晶体表 面中断的影响， l也忽略表面上原子的热运动以及出现的缺 陷和扩散现象， l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。 二、清洁表面结构 l 1清洁表面的一般情况 l 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： l 一是自行调整，原子排列情况与材料内部明显不 同； l 二是依靠表面成分偏析和表面对外来原子或分子 的吸附 l 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。 l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46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 几个原子层范围。 l晶体表面的缺陷：平台、台阶、扭折、表 面吸附、表面空位、位错。 在实际晶体中，由于某种原因，原 子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体 中的某些原子偏离正常位置，造成原子 排列的不完全性称为晶体缺陷。 （1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子 （2）线缺陷：位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界 晶体缺陷类型 晶体缺陷 (1)点缺陷 晶体中的原子总是在某一位置上作热振 动。温度升高时，动能特别高的原子就要脱 离周围原子的束缚，可能进入别的晶格间隙 处成为“间隙原子”或跑到金属表面上去。 而原来的位置成为没有原子的“空位”。 空位和间隙原子的出现，使它们失去平 衡而造成晶格畸变(歪扭)。 点缺陷将会使金 属材料产生物理、化学和力学性能上的变化 ，如使材料的密度发生变化，电阻率增大， 强度、硬度提高等。 (2)线缺陷 线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷，其具 体形式是各种类型的位错，晶体中有一列或若 干列原子发生有规则的错排现象，这就是位错 。刃型位错是最常见的一种。位错造成的晶格 的线状畸变，极大地影响着金属材料的力学性 能，对于金属材料的塑性变形、强度、疲劳、 腐蚀等性能均有重要的影响。 3、面缺陷 面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺 寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。 这类缺陷主要是指晶界和亚晶界。 晶界和亚晶界处区域内的原子排列不整 齐，偏离其平衡位置，产生晶格畸变。 面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作 用，强度、硬度较晶粒高。因此金属内部的 晶粒越细小，晶界就越多，强度和硬度就越 高。 三、实际表面结构 l（一）实际表面的一般情况 l1表面粗糙度 l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、同时还可能有裂 缝、空洞等。 2贝尔比层和残余应力 l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。 l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 。 l这层非晶态称为贝尔比层。 l其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内 明显不同。 l贝尔比层具有效高的耐磨性和耐蚀性。 l材料经各种加工、处理后普遍存在残余应 力。 l残余应力按其作用范围分为： 宏观内应力和微观内应力两类。 残余应力 l 宏观残余应力 l 宏观残余应力，又称第一残余应力，它是在宏观范 围内分布的，它的大小、方向和性质等可用通常的物理 的或机械的方法进行测量。 l 微观残余应力 l 微观残余应力属于显微事业范围内的应力。依其作 用的范围，细分为两类：即微观结构应力，或称第二类 残余应力，它是在晶粒范围内分布的；晶内亚结构应力 ，又称为第三类残余应力，它是在一个晶粒内部作用的 。 l 固体与气体的作用有三种形式：吸附、吸收和化学反应。 l 吸附：固体表面吸引气体与之结合，以降低固体表面能的 作用。 l 吸收：固体的表面和内部都容纳气体，使整个固体的能量 发生变化。 l 化学反应：固体与气体的分子或离子间以化学键相互作用 ，形成新的物质，整个固体的能量发生显著的变化. l 当固体表面暴露在一般的空气中就会吸附氧或水蒸气，甚 至在一定的条件