表面工程技术-2材料表界面物理基础

1、第二章 资料的表界面物理根底Harbin Engineering University资料科学与化学工程学院 孟国哲.外表与界面的定义界面(Interface)：不同物质之间，或同一物质、不同聚集形状之间的过渡区。外表(Surface)：凝聚相与气相之间的界面；相界面(Interphase surface)：不同凝聚相之间的界面；晶界grain boundary：而同一凝聚相晶粒之间的界面简称为晶界。 .理想外表：是指在无限大的完好晶体中插入一个平面，将其分成两部分后构成的外表。理想外表上的原子、分子或离子(以下简称原子或质点)，具有二维周期对称陈列的特点。再构外表：实践上，由于晶体内部的周期

2、对称性在外表的忽然中断, 将引起外表原子偏离理想的二维周期对称陈列,构成了原子的重新陈列。清洁外表：不发生吸附、催化或杂质分散的再构外表，称为；实践外表：以再构外表为根底，吸附同质或异质原子后构成的外表称为。.金属外表的实践构成.2.1 静态外表原子构造1.二维点阵在三维晶体学中，常用构成晶格(或空间点阵)的最根本单元晶胞, 来描画晶体中原子在空间的陈列方式。由于固体外表的原子陈列具有周期对称性，因此也可用最根本的几何单元在二维平面拼接成反映外表原子对称陈列的二维点阵，这种几何单元称为布拉菲格子或原胞。原胞同时满足平移对称性和点对称性(旋转对称；反映对称)。.二维点阵的原胞类型.2.理想外表晶

3、体构造.3.再构外表与实践外表 理想外表，只是一种实际上构造完好的二维点阵平面。由于外表上电子波函数的畸变，使原子处于高能量形状，因此易于发生弛豫和重排，构成偏离理想点阵的再构外表。对再构外表进一步修正后，即可用来表示实践外表。.外表重构与弛豫外表的再构重构景象往往是外表原子的弛豫外表原子受力情况与体内不同，因此经常会有相对于外表的位移，以使系统能量降低和原子吸附有关，由低能电子衍射LEED实验结果可以得到外表再构的几何规律，但是导致再构的缘由依然在探求之中. - 黄昆.C. 基泰尔Charles Kittel 假设外表是清洁的，最外原子层顶层既能够重构，也能够不重构。对不重构的外表，除了外表

4、的最外原子层间距有变化称为多层弛豫之外，其原子的陈列与体相根本一样。 研讨发现，相对于体相原子层的层间距来说，外表第一原子层与第二原子层之间的层间距是减少的。 可以把外表当成双原子分子与体相构造之间的一个过渡区。但是，由于双原子分子中的原子间距远小于体相中的原子间距，所以在外表弛豫景象中一定存在着新的机制。外表弛豫与外表重构截然不同。重构通常表现为产生新的外表原胞；而在弛豫景象中，原子在外表构造中坚持其原有的构造不变，只是原子间距与体相相比略有差别，就弛豫本身而言，它是对体相晶胞作用于外表的一种反作用。 .再构外表的表示方法衬底(基体)元素用E表示，衬底基矢为as和bs ,再构基矢为 as和b

5、s，as/as=p,bs/ bs =q，再构基矢相对衬底基矢的偏转角为，当理想外表衬底为平坦外表时，再构外表可表示为 E h k l pq 以再构外表为衬底，当衬底外表上的吸附原子到达一定数量时，构成了具有覆盖层的实践外表。覆盖外表可表示为 Eh k lpq -mn-D 式中，Eh k lpq 表示再构外表，m、n和分别表示覆盖点阵基矢与再构外表基矢的长度和偏转角，D表示覆盖元素。覆盖外表常简写为 Eh k lmn-D.例如Si111770，表示在Si111理想外表上构成的再构点阵外形与衬底一样，只不过再构点阵的基矢是衬底基矢的七倍，并且as与as平行。硅111-7x7外表重构的扫描隧道显微镜

6、图像 .不同晶面的外表能以简单的正方点阵为例，可以导出断面外表能与夹角的关系：当=/4时，对应的是原 子密度小的 11面，外表 能最大；=0时，原子密度度大的 10面，外表能最小。此规律对三位点阵也适用，面心立方的111体心立方的110均为密排面，具有最低的外表能。.2.2 外表吸附 吸附在固体资料外表的原子，经过外表分散等方式结合成原子团。当原子团超越临界尺寸成为晶核后，进一步聚集、长大为薄膜，这是外表工程中最常见的成膜方法。因此，外表吸附与外表分散对成膜过程和成膜质量有直接影响。外表吸附景象是资料外表最重要的特征之一。固-气界面的吸附景象及其规律，对资料合成与制备有普遍意义。外表吸附通常分

7、为物理吸附和化学吸附。固体外表称为吸附剂，被吸附原子或分子称为吸附质。.物理吸附物理吸附的作用力是范德华力。范德华力来源于外表原子吸附原子之间的极化作用。普通分子的范德瓦耳斯相互作用能约为0.1-0.2eV，称为吸附能。多层.物理吸附的特点物理吸附的吸附热较低，因此物理吸附通常在低温下吸附，在高温下解吸。物理吸附普通不需求激活能，所以吸附和解吸速度都很快。物理吸附既可以是但原子层吸附,也可以是多原子层吸附。物理吸附对吸附剂和吸附质的组合没有选择性，可以在恣意的固-气体系中发生。 .化学吸附化学吸附时, 吸附剂和吸附质的原子或分子间发生了电子转移, 因此化学吸附的作用力主要是静电库仑力。 按吸附

8、过程中电子转移的程度，化学吸附还可分为离子吸附和化学键吸附。 .化学吸附的特点化学吸附通常需求激活能，因此化学吸附往往发生在高温，吸附速度较慢，并且很难解吸。化学吸附有明显的选择性，只在特定的固-气体系中发生。由于化学吸附的本质是发生电子转移后构成的离子键合或者化学键合，因此化学吸附只能是单层吸附。.物理吸附于化学吸附的关系物理吸附和化学吸附在一定条件下将发生转换，比如Cu的解理面对氢分子(H2)产生物理吸附后，假设经过加热等方式提供足够的能量使氢分子分解为氢原子，即可使物理吸附转变为化学吸附。这一外部提供的能量，称为激活能EA .Langmuir等温吸附实际根本观念：1固体外表存在一定数量的活化位置，当气体分子碰撞到固体外表时，就有一部分气体被吸附在活化位置上，并放出吸附热；2已吸附在固体外表上的气体分子又可重新回到气相，即存在凝集与逃逸吸附与解吸的平衡，是一个动态平衡的过程。根本假设：1吸附是单分子层的。2固体外表是均匀的，被吸附分子间没有相互作用力。.Langmuir吸附公式：b为吸附系数1低压或吸附很弱时，bp1,那么1，即与p无关；3当压力适中，用上式表示。或Pm,