表面工程技術-2材料表界面物理基礎

1、第二章 資料的表界面物理根底Harbin Engineering University資料科學與化學工程學院 孟國哲.外表與界面的定義界面(Interface)：不同物質之間，或同一物質、不同聚集形狀之間的過渡區(qū)。外表(Surface)：凝聚相與氣相之間的界面；相界面(Interphase surface)：不同凝聚相之間的界面；晶界grain boundary：而同一凝聚相晶粒之間的界面簡稱為晶界。 .理想外表：是指在無限大的完好晶體中插入一個平面，將其分成兩部分后構成的外表。理想外表上的原子、分子或離子(以下簡稱原子或質點)，具有二維周期對稱陳列的特點。再構外表：實踐上，由于晶體內部的周期

2、對稱性在外表的忽然中斷, 將引起外表原子偏離理想的二維周期對稱陳列,構成了原子的重新陳列。清潔外表：不發(fā)生吸附、催化或雜質分散的再構外表，稱為；實踐外表：以再構外表為根底，吸附同質或異質原子后構成的外表稱為。.金屬外表的實踐構成.2.1 靜態(tài)外表原子構造1.二維點陣在三維晶體學中，常用構成晶格(或空間點陣)的最根本單元晶胞, 來描畫晶體中原子在空間的陳列方式。由于固體外表的原子陳列具有周期對稱性，因此也可用最根本的幾何單元在二維平面拼接成反映外表原子對稱陳列的二維點陣，這種幾何單元稱為布拉菲格子或原胞。原胞同時滿足平移對稱性和點對稱性(旋轉對稱；反映對稱)。.二維點陣的原胞類型.2.理想外表晶

3、體構造.3.再構外表與實踐外表 理想外表，只是一種實際上構造完好的二維點陣平面。由于外表上電子波函數(shù)的畸變，使原子處于高能量形狀，因此易于發(fā)生弛豫和重排，構成偏離理想點陣的再構外表。對再構外表進一步修正后，即可用來表示實踐外表。.外表重構與弛豫外表的再構重構景象往往是外表原子的弛豫外表原子受力情況與體內不同，因此經常會有相對于外表的位移，以使系統(tǒng)能量降低和原子吸附有關，由低能電子衍射LEED實驗結果可以得到外表再構的幾何規(guī)律，但是導致再構的緣由依然在探求之中. - 黃昆.C. 基泰爾Charles Kittel 假設外表是清潔的，最外原子層頂層既能夠重構，也能夠不重構。對不重構的外表，除了外表

4、的最外原子層間距有變化稱為多層弛豫之外，其原子的陳列與體相根本一樣。 研討發(fā)現(xiàn)，相對于體相原子層的層間距來說，外表第一原子層與第二原子層之間的層間距是減少的。 可以把外表當成雙原子分子與體相構造之間的一個過渡區(qū)。但是，由于雙原子分子中的原子間距遠小于體相中的原子間距，所以在外表弛豫景象中一定存在著新的機制。外表弛豫與外表重構截然不同。重構通常表現(xiàn)為產生新的外表原胞；而在弛豫景象中，原子在外表構造中堅持其原有的構造不變，只是原子間距與體相相比略有差別，就弛豫本身而言，它是對體相晶胞作用于外表的一種反作用。 .再構外表的表示方法襯底(基體)元素用E表示，襯底基矢為as和bs ,再構基矢為 as和b

5、s，as/as=p,bs/ bs =q，再構基矢相對襯底基矢的偏轉角為，當理想外表襯底為平坦外表時，再構外表可表示為 E h k l pq 以再構外表為襯底，當襯底外表上的吸附原子到達一定數(shù)量時，構成了具有覆蓋層的實踐外表。覆蓋外表可表示為 Eh k lpq -mn-D 式中，Eh k lpq 表示再構外表，m、n和分別表示覆蓋點陣基矢與再構外表基矢的長度和偏轉角，D表示覆蓋元素。覆蓋外表常簡寫為 Eh k lmn-D.例如Si111770，表示在Si111理想外表上構成的再構點陣外形與襯底一樣，只不過再構點陣的基矢是襯底基矢的七倍，并且as與as平行。硅111-7x7外表重構的掃描隧道顯微鏡

6、圖像 .不同晶面的外表能以簡單的正方點陣為例，可以導出斷面外表能與夾角的關系：當=/4時，對應的是原 子密度小的 11面，外表 能最大；=0時，原子密度度大的 10面，外表能最小。此規(guī)律對三位點陣也適用，面心立方的111體心立方的110均為密排面，具有最低的外表能。.2.2 外表吸附 吸附在固體資料外表的原子，經過外表分散等方式結合成原子團。當原子團超越臨界尺寸成為晶核后，進一步聚集、長大為薄膜，這是外表工程中最常見的成膜方法。因此，外表吸附與外表分散對成膜過程和成膜質量有直接影響。外表吸附景象是資料外表最重要的特征之一。固-氣界面的吸附景象及其規(guī)律，對資料合成與制備有普遍意義。外表吸附通常分

7、為物理吸附和化學吸附。固體外表稱為吸附劑，被吸附原子或分子稱為吸附質。.物理吸附物理吸附的作用力是范德華力。范德華力來源于外表原子吸附原子之間的極化作用。普通分子的范德瓦耳斯相互作用能約為0.1-0.2eV，稱為吸附能。多層.物理吸附的特點物理吸附的吸附熱較低，因此物理吸附通常在低溫下吸附，在高溫下解吸。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層吸附,也可以是多原子層吸附。物理吸附對吸附劑和吸附質的組合沒有選擇性，可以在恣意的固-氣體系中發(fā)生。 .化學吸附化學吸附時, 吸附劑和吸附質的原子或分子間發(fā)生了電子轉移, 因此化學吸附的作用力主要是靜電庫侖力。 按吸附

8、過程中電子轉移的程度，化學吸附還可分為離子吸附和化學鍵吸附。 .化學吸附的特點化學吸附通常需求激活能，因此化學吸附往往發(fā)生在高溫，吸附速度較慢，并且很難解吸?；瘜W吸附有明顯的選擇性，只在特定的固-氣體系中發(fā)生。由于化學吸附的本質是發(fā)生電子轉移后構成的離子鍵合或者化學鍵合，因此化學吸附只能是單層吸附。.物理吸附于化學吸附的關系物理吸附和化學吸附在一定條件下將發(fā)生轉換，比如Cu的解理面對氫分子(H2)產生物理吸附后，假設經過加熱等方式提供足夠的能量使氫分子分解為氫原子，即可使物理吸附轉變?yōu)榛瘜W吸附。這一外部提供的能量，稱為激活能EA .Langmuir等溫吸附實際根本觀念：1固體外表存在一定數(shù)量的活化位置，當氣體分子碰撞到固體外表時，就有一部分氣體被吸附在活化位置上，并放出吸附熱；2已吸附在固體外表上的氣體分子又可重新回到氣相，即存在凝集與逃逸吸附與解吸的平衡，是一個動態(tài)平衡的過程。根本假設：1吸附是單分子層的。2固體外表是均勻的，被吸附分子間沒有相互作用力。.Langmuir吸附公式：b為吸附系數(shù)1低壓或吸附很弱時，bp1,那么1，即與p無關；3當壓力適中，用上式表示?；騊m,