材料表面技術(shù) 第二章

1、第二章 外表科學(xué)的某些實際和概念2.1 固體資料的外表2.2 外表晶體學(xué)2.3 外表熱力學(xué)2.4 外表動力學(xué)自學(xué)2.5 外表電子學(xué)自學(xué).一、固體資料與氣體的界面清潔外表實踐外表二、固體資料與液體的界面略2.1 固體資料的外表.2.2 外表晶體學(xué)1. 理想外表2. 清潔外表1臺階外表2弛豫外表3重構(gòu)外表4吸附外表5偏析外表3. 實踐外表特征：偏離三維周期性構(gòu)造特征：外表組分與資料內(nèi)部不同.1. 理想外表 對于沒有雜質(zhì)的單晶，作為零級近似可將其清潔外表理想為一個理想外表。這是一種實際上的構(gòu)造完好的二維點(diǎn)陣平面。 忽略了晶體內(nèi)部周期性勢場在晶體外表中斷的影響，忽略了外表原子的熱運(yùn)動、熱分散和熱缺陷等

2、，忽略了外界對外表的物理化學(xué)作用等。 這種理想外表作為半無限的晶體，體內(nèi)的原子的位置及其構(gòu)造的周期性，與原來無限的晶體完全一樣。.圖2.1.1 理想外表構(gòu)造表示圖 d. 2. 清潔外表 清潔外表是指不存在任何吸附、催化反響、雜質(zhì)分散等物理化學(xué)效應(yīng)的外表。這種清潔外表的化學(xué)組成與體內(nèi)一樣，但周期構(gòu)造可以不同于體內(nèi)。. 由于外表陳列忽然發(fā)生中斷，外表原子受力(化學(xué)鍵)情況發(fā)生變化，總效應(yīng)是增大體系的自在能。. 為了降低體系能量(減小外表能)，外表附近原子的陳列必需進(jìn)展調(diào)整。 調(diào)整的方式有兩種：(1)自行調(diào)整，外表處原子陳列與內(nèi)部有明顯不同；(2)靠外來要素，如吸附雜質(zhì)、 生成新相等。 根據(jù)外表原子

3、的陳列，清潔外表又可分為臺階外表、弛豫外表、重構(gòu)外表等。 .圖2.1.2 單晶外表平臺、臺階及扭折表示圖 由低能電子衍射LEED等實驗證明許多單晶體的外表有平臺、臺階和扭折。.臺階臺階上的扭折.圖2.1.3 Pt557有序原子臺階外表表示圖1臺階外表 臺階外表不是一個平面，它是由有規(guī)那么的或不規(guī)那么的臺階的外表所組成。112111110(001)周期. 進(jìn)展低能電子衍射LEED實驗時，電子束從不同臺階反射時會產(chǎn)生位差。假設(shè)臺階密度較高，各個臺階的衍射線之間會發(fā)生相關(guān)效應(yīng)。在臺階規(guī)那么分布時，外表的LEED斑點(diǎn)分裂成雙重的；假設(shè)臺階不規(guī)那么分布，那么一些斑點(diǎn)彌散，另一些斑點(diǎn)明銳。.LEED Pa

4、ttern.臺階構(gòu)造可用下式表示： R(S)m(hkl)n(hkl)-uvm 式中R表示臺階外表的組成元素；(S)為臺階構(gòu)造；m表示平臺寬度為m個原子列(晶列)；(hkl)為平臺的晶面指數(shù)；n表示臺階的原子層高度；(hkl)為臺階側(cè)面的晶面指數(shù)；uvm為平臺與臺階相交的原子列方向。例如 Pt(S)6(111)(100)-011 表示Pt的臺階外表；平臺有6個原子列寬；平臺指數(shù)為(111)；臺階高度為1個原子層；臺階側(cè)面指數(shù)為(100)；平臺與臺階相交的晶列方向為011。.圖2.1.4 弛豫外表表示圖 2 弛豫外表 由于固相的三維周期性在固體外表處忽然中斷，外表上原子產(chǎn)生的相對于正常位置的上、下

5、位移，稱為外表弛豫。圖2.1.5 LiF(001)弛豫外表表示圖， Li F d0d0.1A0.35A.圖2.1.6 重構(gòu)外表表示圖 3重構(gòu)外表 重構(gòu)是指外表原子層在程度方向上的周期性不同于體內(nèi)，但垂直方向的層間距那么與體內(nèi)一樣。d0d0asa. (4) 吸附外表 吸附外表有時也稱界面。它是在清潔外表上有來自外表周圍空間吸附在外表上的質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的外表。圖2.1.7 吸附外表表示圖 . 5偏析外表 不論外表進(jìn)展多么嚴(yán)厲的清潔處置，總有一些雜質(zhì)由體內(nèi)偏析到外表上來，從而使固體外表組成與體內(nèi)不同，稱為外表偏析。 圖2.1.8 偏析外表表示圖 . 在資料實踐運(yùn)用過程中，資料外表是要經(jīng)過一定加工處置(切

6、割、研磨、拋光等)，資料又在大氣環(huán)境(也能夠在低真空或高溫)下運(yùn)用。資料能夠是單晶、多晶、非晶體。這類資料的外表稱為實踐外表。 實踐外表中主要關(guān)懷的是nm-m級范圍內(nèi)原子陳列所構(gòu)成的外表的構(gòu)造特征，包括資料外表的微構(gòu)造(組織)、化學(xué)成分、形貌、不同形狀(外形)資料外表的特點(diǎn)。3. 實踐外表. 實驗觀測闡明，固體實踐外表是不規(guī)那么而粗糙的，存在著無數(shù)臺階、裂痕和凹凸不平的峰谷。這些不同的幾何形狀同樣會對外表性質(zhì)產(chǎn)生影響，其中最重要的是外表粗糙度和微裂紋。 . 衡量外表平整程度時，當(dāng)波距小于1mm時，外表出現(xiàn)的不平整性稱為外表粗糙度。外表粗糙度. 外表粗糙度是指加工外表上具有的較小間距的峰和谷所組

7、成的微觀幾何外形特性。 外表粗糙度與波紋度、宏觀幾何外形誤差不同的是：相鄰波峰和波谷的間距小于1mm，并且大體呈周期性起伏。 外表粗糙度產(chǎn)生緣由：主要由加工過程中刀具與工件外表間的摩擦、切屑分別工件外表層資料的塑性變形、工藝系統(tǒng)的高頻振動以及刀尖輪廓痕跡等緣由構(gòu)成。. 外表粗糙度會引起外表力場變化，進(jìn)而影響其外表性質(zhì)： 由于固體外表的不平坦構(gòu)造，使外表力場變得不均勻，其活性和其它外表性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。 粗糙度還直接影響到固體比外表積，內(nèi)、外外表積比值以及與之相關(guān)的屬性，如強(qiáng)度、密度、潤濕、孔隙率和孔隙構(gòu)造、透氣性和浸透性等。 粗糙度還關(guān)系到兩種資料間的封接和結(jié)合界面間的吻合和結(jié)合強(qiáng)度。 .

8、外表微裂紋是由于晶體缺陷或外力作用而產(chǎn)生。微裂紋同樣會劇烈地影響外表性質(zhì)，對于脆性資料的強(qiáng)度這種影響尤為重要。脆性資料的實際強(qiáng)度約為實踐強(qiáng)度的幾百倍，正是由于存在于固體外表的微裂紋起著應(yīng)力倍增器的作用，使位于裂痕尖端的實踐應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所施加的應(yīng)力。葛里菲斯Griffith建立了著名的微裂紋實際，并導(dǎo)出了資料實踐斷裂強(qiáng)度與微裂紋長度的關(guān)系：式中， R為斷裂強(qiáng)度，C為微裂紋長度， E為彈性模量，是外表自在能。外表微裂紋. 剩余應(yīng)力自學(xué) 外表氧化、吸附和沾污自學(xué).2.3 外表熱力學(xué)一、液體的外表張力與外表自在能液體的外表張力 設(shè)液面上不斷線的長度為l，假設(shè)在此線上施加外力f恰能使它平衡不動，那么該外力f就等于外表張力。實驗證明： 式中稱為外表張力系數(shù)或比外表張力，普通就簡稱它為外表張力。 .2. 液體的外表自在能 總外表(自在)能Gs等于添加外表積A所需的可逆功。 比外表能，簡稱外表(自在)能等于添加單位外表所需的可逆功。寫成關(guān)系式為GsA 比外表能可以定義為 對于液體來說，外表(自在)能與外表張力是一致的：. 二、固體的外表自在能和外表張力與液體相比：1固體的外表自在能中包含了彈性能。外表張力在數(shù)值上不等于外表自在能。2固體的外表張力是各向異性的。3實踐固體的外表絕大多數(shù)處于非平衡形狀，決議固體外表形狀的主要是構(gòu)成固體外表時的條件以及它所閱