第二章固體表面特性第1頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)固體表面結(jié)構(gòu)固體材料：固體材料是工程技術(shù)中最普遍使用的材料。它的分類方法很多。例如按照材料特性，可將它分為：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料三類。第2頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固體材料按所起的作用可分為:結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性能為主的工程材料，主要用來(lái)制造工程建筑中的構(gòu)件，機(jī)械裝備中的零件以及工具、模具等。第3頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月功能材料功能材料是利用物質(zhì)的各種物理和化學(xué)特性及其對(duì)外界環(huán)境敏感的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)各種信息處理和能量轉(zhuǎn)換的材料（有時(shí)也包括具有特殊力學(xué)性能的材料）。這類材料常用來(lái)制造各種裝備中具有獨(dú)特功能的核心部件。第4頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、材料表面

固體材料的界面有三種：（l）表面——固體材料與氣體或液體的分界面。（2）晶界（或亞晶界）——多晶材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒（或亞晶）之間的界面。（3）相界——固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。第5頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表面：固－固界面固－液界面固－氣界面固體材料與氣體界面：（1）清潔表面（2）實(shí)際表面（3）理想表面（實(shí)際上不存在）第6頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月清潔表面清潔表面——經(jīng)過(guò)諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場(chǎng)效應(yīng)蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、分子束外延等特殊處理后，保持在10－6Pa－10－9Pa超高真空下外來(lái)沾污少到不能用一般表面分析方法探測(cè)的表面。第7頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際表面實(shí)際表面——暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過(guò)一定加工處理（如切割、研磨、拋光、清洗等），保持在常溫和常壓（也可能在低真空或高溫）下的表面。（也稱吸附表面）第8頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)表面晶體學(xué)固體材料通常以晶態(tài)和非晶態(tài)形式存在于自然界。這里主要以晶態(tài)物質(zhì)來(lái)介紹表面結(jié)構(gòu)。第9頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、理想表面結(jié)構(gòu)理想表面是一種理論的結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面。這里忽略了晶體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)在晶體表面中斷的影響，也忽略表面上原子的熱運(yùn)動(dòng)以及出現(xiàn)的缺陷和擴(kuò)散現(xiàn)象，又忽略表面外界環(huán)境的作用等，因而把晶體的解理面認(rèn)為是理想表面。第10頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1．二維晶格的周期性與對(duì)稱性二維點(diǎn)陣除了平移群和點(diǎn)移群兩種基本對(duì)稱操作外，還存在鏡像滑移群。二維點(diǎn)陣中存在10種點(diǎn)群鏡像滑移群與點(diǎn)群結(jié)合，共得到17種二維對(duì)移群，如表2-2所示。2．晶列與晶列指數(shù)3．二維倒易格子第11頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、清潔表面結(jié)構(gòu)

1．清潔表面的一般情況依熱力學(xué)的觀點(diǎn)，表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到這種穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種：一是自行調(diào)整，原子排隊(duì)列情況與材料內(nèi)部明顯不同；二是依靠表面成分偏析和表面對(duì)外來(lái)原子或分子的吸附以及兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)，因而使表面組分與材料內(nèi)部不同。第12頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般大約要經(jīng)過(guò)4～6個(gè)原子層之后才與體內(nèi)基本相似，所以晶體表面實(shí)際上只有幾個(gè)原層子范圍。晶體表面的缺陷：平臺(tái)、臺(tái)階、扭折、表面吸附、表面空位、位錯(cuò)。各種材料表面上的點(diǎn)缺陷類型和濃度都依一定條件而定，最為普遍的是吸附。第13頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第14頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第15頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第16頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TLK模型單晶表面的TLK模型已被低能電子衍射（LEED）等表面分析結(jié)果所證實(shí)第17頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．表面弛豫：

表面上原子相對(duì)于正常位置的位移。晶體的三維周期性在表面處突然中斷，表面上原子的配位情況發(fā)生變化，并且表面原子附近的電荷分布也有改變，使表面原子所處的力場(chǎng)與體內(nèi)原子不同，因此表面上的原子會(huì)發(fā)生相對(duì)于正常位置的上下位移以降低體系的能量。表面馳豫的最明顯處是表面第一層原子與第二層之間距離的變化，越深入體相，弛豫效應(yīng)越弱，并且是迅速消失。第18頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．表面重構(gòu)在平行基底的表面上，原子的平移對(duì)稱性與體內(nèi)顯著不同，原子位置作了較大幅度的調(diào)整，這種表面結(jié)構(gòu)稱為重構(gòu)（或再構(gòu)）。R（hkl）－p×q－D式中R表示基底材料的符號(hào)；（hkl）為基底平面的密勒指數(shù)；D是表面覆蓋層或沉積物質(zhì)的符號(hào)。P、q為整數(shù)，即表面晶格基矢與基底晶格的基矢平行，但長(zhǎng)度不等。第19頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通用表面晶格的矩陣表示：第20頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.表面臺(tái)階結(jié)構(gòu)（清潔表面的臺(tái)階結(jié)構(gòu)）臺(tái)階結(jié)構(gòu)表示為：R（S）-[m(hkl)×n(h’k’l’)]-[uvw]式中R表示臺(tái)階表面的組成元素；（S）為臺(tái)階結(jié)構(gòu)；m表示平臺(tái)寬度為m個(gè)原子列（晶列）；（hkl）為平臺(tái)的晶面指數(shù)；n表示臺(tái)階的原子層高度；（h’k’l’）為臺(tái)階側(cè)面的晶面指數(shù)；[uvw]為平臺(tái)與臺(tái)階相交的原子列方向。第21頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、實(shí)際表面結(jié)構(gòu)（一）實(shí)際表面的一般情況1．表面粗糙度從宏觀看，經(jīng)過(guò)切削、研磨、拋光的固體表面似乎很平整，然而從微觀角度觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)表面有明顯的起伏、同時(shí)不可能有裂縫、空洞等。（1）

輪廓算術(shù)平均偏差：Ra（2）

微觀不平度+點(diǎn)高度：Rz（3）

輪廓最大高度：Ry第22頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．貝爾比層和殘余應(yīng)力固體材料經(jīng)過(guò)切削加工后，在幾個(gè)微米或者十幾個(gè)微米的表層中可能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的劇烈變化，既造成一定程度的晶格畸變。這種晶格的畸變隨深度變化，而在最外的，約5nm-10nm厚度可能會(huì)形成一種非晶態(tài)層。這層非晶態(tài)稱為貝爾比層。其成分為金屬和它的氧化物，而性質(zhì)與體內(nèi)明顯不同。貝爾比層具有高的耐磨性和耐蝕性。第23頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料經(jīng)各種加工、處理后普遍存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力按其作用范圍分為兩類：宏觀內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力殘余應(yīng)力第24頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.表面氧化、吸附和沾污（二）吸附表面層結(jié)構(gòu)外來(lái)