第二章 表面科学的某些概念和理论.ppt

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 一、固体材料 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，可将它分为三类: 金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 金属材料: 包括各种纯金属及其合金。 有机高分子材料: 塑料、合成橡胶、合成纤维等。 无机非金属材料: 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。 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。 固体材料按所起的作用可分为两大类: 结构材料和功能材料。 1、结构材料 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。 2、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）。 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。 二、材料表面 物质存在的某种状态或结构，通常称为某一相。 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。 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。 在一定温度和压力下，含有多个相的系统为复相系。 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）表面——固体材料与气体或液体的分界面。 （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。 （3）相界——固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。 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： （1）清洁表面 （2）实际表面 三、实际固体表面结构 三、实际表面结构 （一）实际表面的一般情况 1．表面粗糙度 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、同时不可能有裂缝、空洞等。 （1）??? 轮廓算术平均偏差：Ra （2）??? 微观不平度+点高度：Rz （3）??? 轮廓最大高度：Ry 2．贝尔比层和残余应力 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。 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。 这层非晶态称为贝尔比层。其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。 贝尔比层具有效高的耐磨性和耐蚀性。 贝尔比层 首先接触的是“点”（温度高）金属的导热性好，从而迅速冷却，原子核来不及回平衡位置导致晶体畸变，形成贝尔比层　 优点：（耐蚀　耐磨） 有害性：如硅片上进行外延，氧化，扩散前用除去此层。 原因：感生出位错，层错 ２对金属表面特性的影响 １）粗糙区（原子、能量高、高表面能、表面流动性） ２）影响表面间的实际接触面积和接触性质 　　　　　　弹性 　　　　　　塑性 ３）实际接触面大于表面接触面 ４）粗糙表面与内部成分不同及组织 残余应力 材料经各种加工、处理后普遍存在残余应力。 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。 3. 表面氧化、吸附和沾污 吸附表面层结构 外来原子吸附在表面上形成覆盖层，并往往能使表面重构。 吸附层原子或分子在晶体表面是有序排列还是无序排列，与吸附的类型、吸附热、温度等因素有关。 第二节 表面晶体学 固体材料通常以晶态和非晶态形式存在于自然界。 这里主要以晶态物质来介绍表面结构。 1．二维晶格的周期性与对称性 二维点阵除了平移群和点移群两种基本对称操作外，还存在镜像滑移群。 二维点阵中存在10种点群 镜像滑移群与点群结合，共得到17种二维对移群，如表2-2所示。 2．晶列与晶列指数 3．二维倒易格子 二、清洁表面结构 1．清洁表面的一般情况 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： 一是自行调整，原子排队列情况与材料内部明显不同； 二是依靠表面成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附 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。 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：平台、台阶、扭折、表面吸附、表面空位、位错。 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。 TLK模型 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 固体的表面与界面 固体的界面可一般可