材料表面與界面研究生課件

1、第一部分 材料表面與界面的結(jié)構(gòu)1.1 固體的表面一、理想表面d內(nèi)部表面理想表面示意圖理論上結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面。理論前提：1、不考慮晶體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)在晶體表面中斷的影響；2、不考慮表面原子的熱運(yùn)動(dòng)、熱擴(kuò)散、熱缺陷等；3、不考慮外界對(duì)表面的物理-化學(xué)作用等；4、認(rèn)為體內(nèi)原子的位置與結(jié)構(gòu)是無(wú)限周期性的，則表面原子的位置與結(jié)構(gòu)是半無(wú)限的，與體內(nèi)完全一樣。第1頁(yè)/共56頁(yè)二、清潔表面不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理-化學(xué)效應(yīng)的表面。1、臺(tái)階表面 - 表面不是平面，由規(guī)則或不規(guī)則臺(tái)階組成。（表面的化學(xué)組成與體內(nèi)相同，但結(jié)構(gòu)可以不同于體內(nèi)）晶面1（平面）晶面3 （連接面）晶面2 （立面）清潔表

2、面可分為三種：臺(tái)階表面、弛豫表面 、重構(gòu)表面 第2頁(yè)/共56頁(yè)2、弛豫表面 -指表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之間的垂直間距ds和體內(nèi)原子層間距d0相比有所膨脹和壓縮的現(xiàn)象。可能涉及幾個(gè)原子層。ds內(nèi)部表面d0第3頁(yè)/共56頁(yè)3、重構(gòu)表面 - 指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但在垂直方向上的層間間距d0與體內(nèi)相同。d0內(nèi)部表面d0第4頁(yè)/共56頁(yè)三、吸附表面在清潔表面上有來(lái)自體內(nèi)擴(kuò)散到表面的雜質(zhì)和來(lái)自表面周?chē)臻g吸附在表面上的質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的表面。吸附表面可分為四種吸附位置：頂吸附、橋吸附 、填充吸附、中心吸附 頂吸附橋吸附填充吸附中心吸附俯視圖剖面圖第5頁(yè)/共56頁(yè)四、表面自由能 在

3、建立新表面時(shí)，鄰近原子將丟失，鍵被切斷，因此，必須對(duì)系統(tǒng)作功； 同樣，在一定溫度和壓力下，并保持平衡條件，若增加表面能，系統(tǒng)也必須作功。對(duì)所有單組分的系統(tǒng)，表面總的自由能改變?yōu)椋篏-表面自由能； S-熵； T-溫度V-體積； p-壓力； -表面張力； A-表面積第6頁(yè)/共56頁(yè)五、表面偏析 雜質(zhì)由體內(nèi)偏析到表面，使多組分材料體系的表面組成與體內(nèi)不同。將偏析與表面張力聯(lián)系起來(lái)：(1) 若2 1, 表面張力較小的組分將在表面上偏析(富集);(2) 若2= 1, 不存在表面偏析。第7頁(yè)/共56頁(yè)1.2 表面二維結(jié)構(gòu)平面 二維 格點(diǎn)陣列 二維格子示意圖格點(diǎn) 格點(diǎn)可以是一個(gè)原子（即Bravais布喇菲格

4、子）； 格點(diǎn)也可以是原子團(tuán)；二維格子中任意格點(diǎn)的位矢：、為二維格子的基矢。也是原胞的兩條邊。第8頁(yè)/共56頁(yè) 二維格子的數(shù)目是有限的，實(shí)際上只有5種Bravais格子，即斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下：名 稱格子符號(hào)基矢關(guān)系晶 系斜形方形六角形矩形中心矩形PPPPCab， 90，任意a=b， =90a=b， =120ab， =90ab， =90斜形正方六角矩形矩形二維Miller指數(shù)Miller指數(shù)標(biāo)記二維晶格中平行晶列的各種取向。如（hk） 注意與晶面指數(shù)的區(qū)別。？第9頁(yè)/共56頁(yè)表面結(jié)構(gòu)命名法Wood命名法22 矩陣命名法自學(xué)第10頁(yè)/共56頁(yè)1.3 常見(jiàn)的表面結(jié)構(gòu)一、金

5、屬表面結(jié)構(gòu) 目前已確定有100多種表面結(jié)構(gòu)。以下主要介紹金屬表面結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)、氧化物表面結(jié)構(gòu)以及薄膜表面結(jié)構(gòu)。 清潔的金屬表面，低能電子衍射（LEED）研究表明具有如下特點(diǎn)：1、其Miller指數(shù)面的表面單胞多為（1 1）結(jié)構(gòu)；2、表面單胞與體內(nèi)單胞在表面的投影相等；3、表面鍵長(zhǎng)與體內(nèi)鍵長(zhǎng)相近；第11頁(yè)/共56頁(yè)4、垂直于表面的最上層與第二層的間距接近于體內(nèi)的值，變動(dòng) 小于5%。一些（較少）非緊密堆積的晶面，約有5% - 15%的 縮短；5、非緊密堆積的原子比緊密堆積的原子更趨向于松弛；6、有些晶面上吸附原子后，表面和體內(nèi)的鍵長(zhǎng)差別減小甚至消 失（可能是表面斷裂的鍵由于吸附雜質(zhì)原子而獲

6、得恢復(fù)）。第12頁(yè)/共56頁(yè)二、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)清潔的半導(dǎo)體表面，具有如下特點(diǎn)：1、表面普遍發(fā)生重構(gòu)現(xiàn)象；2、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)具有各自穩(wěn)定性的溫度范圍，溫度太高或太低，表面會(huì)從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)；實(shí)例1：Si（111）面附近劈裂面在不同溫度下實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)變狀態(tài)的 STM圖像；.實(shí)例2：GaAs在（100）、（111）、（111）極性表面有大量重 構(gòu)發(fā)生，在（110）非極性表面未發(fā)現(xiàn)重構(gòu)現(xiàn)象。第13頁(yè)/共56頁(yè)三、氧化物表面結(jié)構(gòu) 對(duì)于氧化物表面，一般都出現(xiàn)重構(gòu)現(xiàn)象，主要原因是非化學(xué)計(jì)量的誘導(dǎo)和氧化態(tài)變化造成的。實(shí)例：氧化態(tài)TiO2，表面吸氧或脫氧，變成 Ti2O3、 TiO等 .第14頁(yè)/共56頁(yè)四

7、、薄膜表面結(jié)構(gòu) 對(duì)于薄膜表面，交換著原子、離子、電子、光子以及其它粒子，并決定薄膜一系列的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)等性質(zhì)。對(duì)于薄膜表面結(jié)構(gòu)，受到如下因素的影響：1、薄膜制備過(guò)程中的各種條件；2、基底材料種類(lèi)與晶面；3、薄膜與基底之間的界面。所以，薄膜表面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。實(shí)例：從金屬薄膜的電子衍射花樣（薄膜厚度不同可以有彌散環(huán)、擇優(yōu)取向清銳環(huán)以及無(wú)擇優(yōu)取向清銳環(huán)等）、STM圖像或AFM圖像等可說(shuō)明。第15頁(yè)/共56頁(yè)1.4 固體的界面界面：兩相之間的接觸面。如相界面、內(nèi)界面、晶界等。界面類(lèi)型從晶體學(xué)角度：平移界面孿晶界面反演界面從實(shí)用角度：氣固界面半導(dǎo)體界面薄膜界面超晶格界面一、界面類(lèi)型第1

8、6頁(yè)/共56頁(yè)1、平移界面 在結(jié)構(gòu)相同的晶體中，一部分相對(duì)于另一部分平滑移動(dòng)一個(gè)位移矢量 。其間的界面稱為平移界面。A.P.BSFA.P.B - 等于點(diǎn)陣矢量，稱反相界面；SF - 不等于點(diǎn)陣矢量，稱層錯(cuò)。第17頁(yè)/共56頁(yè)2、孿晶界面3、混合界面孿晶界面又稱取向界面。孿晶界面與平移界面混合后的界面。第18頁(yè)/共56頁(yè)4、反演界面 當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)由中心對(duì)稱向非中心對(duì)稱轉(zhuǎn)變時(shí)，由反演操作聯(lián)系起來(lái)的兩個(gè)疇之間形成反演界面IB。反演界面兩側(cè)點(diǎn)陣相同，但通過(guò)一個(gè)反演中心聯(lián)系著。I B左側(cè)右側(cè)第19頁(yè)/共56頁(yè)二、界面的微觀結(jié)構(gòu) 指晶粒間界的結(jié)構(gòu)，是在晶體結(jié)晶過(guò)程中形成的，存在于多晶材料中。晶界區(qū)的晶粒表面

9、原子，由于受到相鄰晶粒勢(shì)場(chǎng)的作用，這些原子將在晶界區(qū)重新排列并達(dá)到平衡狀態(tài)。晶粒1晶粒2晶界晶界原子排列示意圖 據(jù)晶界結(jié)構(gòu)相鄰晶粒取向差別角度的大小，可分為小角晶界和大角晶界。第20頁(yè)/共56頁(yè) 1、晶界原子排列的理論模型自學(xué) 2、小角晶界兩個(gè)相鄰晶粒取向差別角度在0-10之間。較小的小角晶界可用位錯(cuò)排列來(lái)說(shuō)明。如下圖。小角傾轉(zhuǎn)晶界示意圖P54 圖第21頁(yè)/共56頁(yè)3、大角晶界 當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒取向差別角度超過(guò)15時(shí)為大角傾斜晶界，此時(shí)晶界內(nèi)位錯(cuò)密集，當(dāng)超過(guò)35時(shí)，位錯(cuò)覆蓋整個(gè)界面。4、共格晶界 界面兩邊相鄰晶粒的原子成一一對(duì)應(yīng)的相互匹配關(guān)系。界面上的原子為相鄰兩個(gè)晶體所共有。共有原子 相鄰晶粒的面間距差不多時(shí)，可完全共格；面間距相差較大時(shí)，出現(xiàn)部分共格。第22頁(yè)/共56頁(yè)5、晶界能與晶界電勢(shì)晶界能：晶界處的界面能。晶界電勢(shì)： 小角度范圍（0處,則功函數(shù)為:-N個(gè)電子系統(tǒng)在膠體中的基態(tài)能量;-在同一膠體中(N-1)個(gè)電子系統(tǒng)的能量;-電子處在(-)處的靜電能。式中:三個(gè)參數(shù)的表達(dá)式的求