表面與界面原子結(jié)構(gòu)

關(guān)于表面與界面原子結(jié)構(gòu)第1頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三本章主要學(xué)習(xí)內(nèi)容

Contents

清潔表面(CleanSurface)晶界（crystalInterface

）

分界面（Interface）

實(shí)際表面（FactualSurface）第2頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

在實(shí)際條件下，材料表面受到各方面因素影響，從而在結(jié)構(gòu)上、組成上發(fā)生改變。

為了研究材料的本征表面特性，清潔表面才能用來進(jìn)行研究。

清潔表面是相通過特殊處理（即保證組成上的確定性）后，保持在超高真空下的表面(即保證表面不隨時(shí)間而超高真空改變)。清潔表面

(CleanSurface)第3頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三一般清潔表面是指經(jīng)離子轟擊加退火熱處理后的單晶表面。由于原子在體內(nèi)部和在表面受到力不同，則引起表面原子的排列與內(nèi)部有較為明顯的差別。這種差異經(jīng)過4～6層之后，原子的排列與體內(nèi)已相當(dāng)接近，這個(gè)距離也可以看作是實(shí)際清潔表面的范圍。清潔表面

(CleanSurface)第4頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.1描述清潔表面原子排列結(jié)構(gòu)

表面原子的排布方式雖然與體內(nèi)有差別，但表面原子仍作對(duì)稱和周期性的排布，?？醋魇嵌S格子。

結(jié)晶學(xué)上的概念和規(guī)則，二維格子中都適用。但由于維數(shù)減少，相應(yīng)的復(fù)雜性也減少。第5頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三由于表面排列突然發(fā)生中斷，表面原子受力（化學(xué)鍵）狀況發(fā)生變化，總效應(yīng)是增大體系的自由能。為了降低體系能量(減小表面能)，表面附近原子的排列必須進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方式有兩種：(1)自行調(diào)整,表面處原子排列與內(nèi)部有明顯不同；(2)靠外來因素,如吸附雜質(zhì),生成新相等。1.2清潔表面的原子排列第6頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三幾種調(diào)整的方式后形成清潔表面結(jié)構(gòu)示意圖

馳豫

重構(gòu)

偏析

化學(xué)吸附

化合物

臺(tái)階第7頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

馳豫表面區(qū)原子(或離子)間的距離偏離體內(nèi)的晶格常數(shù)，而晶胞結(jié)構(gòu)基本不變,這種情況稱弛豫。離子晶體的表面容易發(fā)生弛豫，主要作用力是庫(kù)侖靜電力，這是一種長(zhǎng)程作用。弛豫產(chǎn)生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，一般認(rèn)為弛豫后表面原子排列的平移對(duì)稱性不變，只是微觀對(duì)稱性發(fā)生了變化。1第8頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三重構(gòu)有兩類情況：(a)表面晶面與體內(nèi)完全不一樣，稱超晶格或超結(jié)構(gòu)。(b)表面原胞的尺寸大于體內(nèi)，即晶格常數(shù)增大。

當(dāng)表面原子排列作了較大幅度的調(diào)整，與襯底晶面原子的平移對(duì)稱性有明顯不同，這種表面結(jié)構(gòu)稱重構(gòu)；重構(gòu)2第9頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三a.TLK表面模型:由LEED等表面分析結(jié)果證實(shí)，許多單晶體的表面實(shí)際上不是原子級(jí)的平坦，而是如圖所示的情形。

從熱力學(xué)上來分析，清潔表面必然存在有各種類型的表面缺陷。清潔表面的缺陷3第10頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

b.點(diǎn)缺陷在平臺(tái)上可能存在各種點(diǎn)缺陷，最為普遍的就是吸附(或偏析)的外來雜質(zhì)原子。由于有表面能，表面原子的活動(dòng)能力較體內(nèi)大,形成點(diǎn)缺陷的能量小。因此表面上的熱平衡點(diǎn)缺陷濃度遠(yuǎn)大于體內(nèi)。表面上的正負(fù)離子空位對(duì)、空位團(tuán)簇、雜質(zhì)空位對(duì)(團(tuán))也是一種表面點(diǎn)缺陷。c．線缺陷位錯(cuò)往往要在表面露頭，可以將它看作是直徑為原子尺寸的一根管道，從體內(nèi)通到表面。如果是螺位錯(cuò)，則在表面形成一個(gè)小臺(tái)階。第11頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

功能材料(光、電等)一般都各向異性；晶態(tài)時(shí)性能指標(biāo)最佳；

薄膜器件和集成電路需要材料薄膜化；最理想是形成單晶薄膜。

在一種單晶表面生長(zhǎng)出單薄膜稱為外延生長(zhǎng)。表面上能否生長(zhǎng)成一層單晶薄膜極大地取決于表面晶面的晶格常數(shù)和缺陷。表面原子結(jié)構(gòu)對(duì)材料科學(xué)與工程的作用4功能薄膜的外延生長(zhǎng)第12頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

在材料實(shí)際應(yīng)用過程中，材料表面是要經(jīng)過一定加工處理(切割、研磨、拋光等),材料又在大氣環(huán)境(也可能在低真空或高溫)下使用。材料可能是單晶、多晶、非晶體。這類材料的表面稱為實(shí)際表面。實(shí)際表面中主要關(guān)心的是nm~μm級(jí)范圍內(nèi)原子排列所形成表面結(jié)構(gòu)特征。材料表面的微結(jié)構(gòu)(組織)、化學(xué)成分、形貌、不同形態(tài)(形狀)材料表面的特點(diǎn)。

實(shí)際表面（FactualSurface）第13頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三衡量表面平整程度時(shí)，當(dāng)波距小于1mm時(shí)，表面出現(xiàn)的不平整性稱為表面粗糙度。2.1表面粗糙度不同尺度下觀察表面平整性第14頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三測(cè)量方法：選用一條輪廓中線(m),中線是一條理想的線，在此線上粗糙度為零。

當(dāng)比較比較不同表面粗糙程度的大小時(shí)，需要有定量或測(cè)量粗糙程度的方法。表面粗糙度定量值1第15頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三公式表示為：

（a）輪廓算術(shù)平均偏差Ra

在取樣長(zhǎng)度l內(nèi)，測(cè)量表面上一些點(diǎn)距中線m的距離y1，y2，…，yn，取其絕對(duì)值的算術(shù)平均值。表面粗糙度定量值1其近似表達(dá)式為：第16頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，從平行于中線的任何一條線起，到被測(cè)量輪廓的五個(gè)最高峰(yp1，yp2，...，yp5)與五個(gè)最低谷(yv1，yv2，...，yv5)平均值之和。

（b）微觀不平整十點(diǎn)高度Rz表面粗糙度定量值1第17頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，除去個(gè)別明顯的偏離值之后，過最高峰和最低谷，分別作平行于中線的平行線，這兩條平行線間的距離稱輪廓最大高度，以Ry表示。

（c）輪廓最大高度Ry表面粗糙度定量值1第18頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

對(duì)于一些多晶材料、薄膜材料以及有孔的材料，它們形狀復(fù)雜,除了外表面外還有內(nèi)表面。一般采用粗糙系數(shù)R來表示。晶粒就停止生長(zhǎng)。R=Ar/Ag式中Ag為幾何表面，Ar為實(shí)際表面。Ar一般是通過吸附試驗(yàn)按照吸附公式計(jì)算出來的。如果表面不平整,而且有孔，Ar就大,R也就大。表面粗糙系數(shù)R2第19頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面粗糙系數(shù)R2第20頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三由于固體的表面是不平整性，當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸時(shí),真實(shí)接觸面積與表觀接觸面積差別較大。在實(shí)際應(yīng)用中，表觀面積與加工方式和負(fù)荷無(wú)關(guān)。而真實(shí)接觸面積會(huì)隨受力負(fù)荷而改變：負(fù)荷為2kg時(shí)，則真實(shí)接觸面積只是表觀面積的l/100,000。負(fù)荷為100kg時(shí)，真實(shí)接觸面積為表觀面積的l/200；材料表面受力的影響粗糙度對(duì)材料或應(yīng)用的影響3第21頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

材料學(xué)角度考察結(jié)構(gòu)時(shí)：關(guān)心nm→μm→mm范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)特征(晶體？晶體種類？顆粒尺寸？)→微觀結(jié)構(gòu)實(shí)際表面：由于經(jīng)過加工而成，材料表面微觀結(jié)構(gòu)也與體內(nèi)有相當(dāng)不同。2.2表面的組織（微觀結(jié)構(gòu)）第22頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三（1）實(shí)際表面微觀結(jié)構(gòu)特征（a）金屬材料一般金屬材料表面要通過研磨拋光而成，表面在結(jié)構(gòu)和組成上都會(huì)發(fā)生變化。在距表面1μm內(nèi)，晶粒尺寸與體內(nèi)顯著不同。離表面0.3μm的范圍,晶粒尺寸很細(xì),在最表面層為以非晶態(tài)存在→貝爾比層第23頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三研磨時(shí),金屬表面的溫度可達(dá)500℃~1000℃，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生熔化。在最表層一般產(chǎn)生一薄層與體內(nèi)性質(zhì)有明顯差別的非晶態(tài)層,稱為貝爾比層，其厚度為50～l000埃。金屬導(dǎo)熱性好,冷卻迅速,熔化的原子來不及回到平衡位置，造成晶格畸變?；儏^(qū)有幾十微米深度范圍。隨深度增加，畸變程度降低。第24頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

貝爾比層形成與作用

由于金屬有高的熱導(dǎo)率，表面層又迅速地凝固成20埃左右的非晶態(tài)層。拋光時(shí)拋光劑磨去表面層原子，下面一層在瞬間內(nèi)保持流動(dòng)性(熔化)。在凝固前，由于面表面張力的作用使表面變得平滑。對(duì)于金屬和合金來說，它們的拋光表面大都有一層貝爾比層，其成分是金屬和它的氧化物的混合物。貝爾比層可起到耐蝕、強(qiáng)化的作用。第25頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三(b)無(wú)機(jī)非金屬材料

拋光表面的特征從微觀結(jié)構(gòu)層次來看，拋光后表面會(huì)產(chǎn)生形變。其變形程度與硬度有關(guān)。表面層結(jié)構(gòu)仍可能由非晶態(tài)、微晶和小晶塊組成。表面層的厚度有限。微觀結(jié)構(gòu)與內(nèi)部差別不象金屬那樣大。表面的缺陷可能比較多(空洞和微裂縫)。第26頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三(a)磨拋光工藝參數(shù)：轉(zhuǎn)速、拋光劑(顆粒尺寸、種類)、壓力等。（2）磨拋光工藝參數(shù)對(duì)表面組織的影響銅片經(jīng)過600號(hào)碳化硅砂紙研磨后，在10μm范圍內(nèi)有明顯的形變。如果加工條件一樣，鉆石粉產(chǎn)生的損傷區(qū)為最小。第27頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三(b)合理選擇拋光工藝參數(shù)，在材料表面形成所需結(jié)構(gòu)。金屬材料：希望表面形成貝爾比層。如汽車上發(fā)亮的金屬件和裝飾金屬件，都采用拋光的辦法既達(dá)到表面光亮效果，又達(dá)到抗蝕目的。陶瓷材料：通過拋光消除表面較大的缺陷，達(dá)到材料力學(xué)性能的提高。如經(jīng)Si4N3陶瓷經(jīng)拋光后，抗折強(qiáng)度可提出~20%。進(jìn)行腐蝕，以消除畸變區(qū)。（2）磨拋光工藝參數(shù)對(duì)表面組織的影響半導(dǎo)體材料：拋光后表面肯定會(huì)形成一定缺陷區(qū)，需要消除。例集成電路中的硅片，這些缺陷會(huì)外延、氧化和擴(kuò)散等工序中感生出位錯(cuò)、層錯(cuò)等二次缺陷,嚴(yán)重影響器件的電氣特性和成品率。因此，常把拋光后的硅片進(jìn)行腐蝕，以消除畸變區(qū)。第28頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三一般特征：“金屬/過渡層/空氣”，“金屬/空氣”極為少見。過渡層中常由氧化物、氮化物、硫化物、塵埃、油脂、吸附氣體(氧、氮、二氧化碳和水汽等)所組成。過渡層為氧化物最為常見。由于一些金屬元素的氧化態(tài)可變，因此，在氧化層中也包含不同氧化態(tài)的氧化物。銅：1000℃以下為：空氣/CuO/Cu2O/Cu;1000℃以上為：空氣/Cu2O/Cu。鐵：570℃以下為：空氣/Fe2O3/Fe3O4/Fe;570℃以上為:空氣/Fe2O3/Fe3O4/FeO/Fe。(1)金屬表面成分2.3表面的成分第29頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三一般特征：“金屬/過渡層/空氣”。其過渡層中出現(xiàn)情況更為復(fù)雜。過渡層常氧化物，但可能出現(xiàn)硫化物和碳化物等。如僅出現(xiàn)氧化物層，那么其氧化物層中的組成與合金成分有關(guān)。Fe-Cr合金(1200℃以下),表面氧化物成分隨Cr含量而變：5%Cr氣相/Fe2O3/Fe3O4/FeO/FeO·Cr2O3/Fe+Cr2O3/Fe+Cr10%Cr氣相/Fe2O3/Fe3O4/FeO·Cr2O3/Fe+Cr2O3/Fe+Cr;25%Cr氣相/Cr2O3/Fe+Cr表面出現(xiàn)不同氧化物的作用。Fe2O3和Fe3O4不致密；Cr2O3致密和硬。當(dāng)表面形成Cr2O3時(shí)，對(duì)材料能起到保護(hù)作用，使氧化反應(yīng)不會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，達(dá)到不生銹的作用。(2)合金表面成分第30頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三一般特征：空氣/非化學(xué)計(jì)量層/氧化物。?非化學(xué)計(jì)量層形成：表面缺陷形成比較容易，如氧空位。Al2O3表面：Al2O，AlO。TiO2表面：TiO，Ti2O3?氧化物表面易具有電偶極矩，即有極性。易發(fā)生明顯的吸附效應(yīng)。初生的氧化物表面通常有相當(dāng)活潑的化學(xué)反應(yīng)能力，特別會(huì)吸附水分子，并解離成羥基(OH-)，而使表面的物埋化學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著的變化。(3)氧化物表面成分第31頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三玻璃表面：空氣/表面組成/設(shè)計(jì)組成。表面組成：表面能小的氧化物易在玻璃表面富集,如PbO,B2O3氧化物。?表面成分易隨時(shí)間變化而改變硅酸鋁玻璃表面區(qū)0.3μm范圍內(nèi),隨時(shí)間變化的情況如下：玻璃長(zhǎng)期暴露在大氣中表面,Na、K和Ca離子會(huì)減少。其變化規(guī)律可利用來提高玻璃化學(xué)穩(wěn)定性。第32頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

2.4高溫下實(shí)際固體表面和薄膜(1)高溫下實(shí)際固體表面?單晶：由于表面原子的能量大，活動(dòng)性高，熔融會(huì)首先在整個(gè)表面上發(fā)生。?多晶：晶界和表面原子的能量和活動(dòng)性較體內(nèi)大，因此熔融會(huì)首先從表面和晶界處發(fā)生。多晶體中晶界的面積遠(yuǎn)大于它的表面積，因此多晶的熔融先從晶界開始。第33頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

超細(xì)顆粒或極薄的膜，它們的熔點(diǎn)隨晶粒尺寸或膜厚的減小而下降。

?對(duì)高溫固體表面的研究，有助于了解熱處理、燒結(jié)、融體冷凝時(shí)缺陷的形成過程。?例子：納米氧化鋯具有超塑性(有很好的延展性)易克服陶瓷精細(xì)加工較難的問題原因之一：晶界產(chǎn)生蠕動(dòng)滑移。第34頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三(2)薄膜?這里介紹的薄膜是采用氣相沉積方法形成的薄膜。

(有目的地制造一個(gè)表面或界面)??薄膜表面的結(jié)構(gòu)受到沉積條件、材料性質(zhì)和襯底等因素的影響，一般易得到多晶膜。第35頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面微觀結(jié)構(gòu)第36頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面粗糙系數(shù)?只有在合適的基板溫度下，才能形成致密和大晶粒的薄膜。對(duì)擬形成防護(hù)表面(薄膜)有特別的意義。第37頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

2.5粉體粉體：微細(xì)固體粉粒的集合體。第38頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三粉體性質(zhì):(a)組成粉體最小單位是初次(一次)顆粒；顆粒尺寸、顆粒形狀、顆粒晶型、顆粒表面缺陷等

(b)顆粒常以團(tuán)聚體形式發(fā)揮作用團(tuán)聚程度(尺寸及分布)、團(tuán)聚體內(nèi)顆粒結(jié)合強(qiáng)度等(c)加工過程中，宏觀尺度粉末集合體性質(zhì)比表面、包裝密度、粉體堆積角度等第39頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

2.6超微粒子與納米材料(1)超微粒子粒子尺寸為亞微米到納米的范圍時(shí)，一般稱團(tuán)簇，小粒子，超微粒子。第40頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三(2)表面效應(yīng)隨微粒尺寸減小，表面原子數(shù)比例增加。隨微粒尺寸減小，表面能也迅速增加。第41頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三第42頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三第三節(jié)晶粒間界第43頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三第44頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三層錯(cuò)是堆積中原子排錯(cuò)了一層，錯(cuò)層上原子仍是密排的。原子堆積排列層錯(cuò)密堆原子層的表面能變化不大。層錯(cuò)的畸變區(qū)約為一個(gè)原子的尺度，因此層錯(cuò)的交界區(qū)（晶界過渡區(qū)）很薄，界面能也較小。因此，在原子密堆積的晶體(如Au，Al等)中容易產(chǎn)生層錯(cuò)。層錯(cuò)破壞了晶格的長(zhǎng)程序，要散射電子。在半導(dǎo)體單晶器件中，層錯(cuò)對(duì)器件性能影響很大。第45頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三…ABCACBCABC…(c)

…ABCACABCABC…(b)第46頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三單晶體中存在一個(gè)界面，如具有對(duì)稱面作用，即產(chǎn)生界面兩側(cè)原子排列互相對(duì)稱，稱雙晶界面(孿生晶界)。(2)雙晶界面第47頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三(3)小角度晶界

兩個(gè)晶粒交界處晶向(如[111]等)之間的夾角，稱晶界角。晶界角小于10o的晶界稱小角度晶界。晶界中原子排列可以通過位錯(cuò)方式過渡第48頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三晶界角大于10o以上的晶界稱大角度晶界晶界中的原子排列可用下列方式說明不同角度與原子排列有序性的關(guān)系(4)大角度晶界第49頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三不同晶界的差別第50頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

3.2相界在熱力學(xué)平衡條件下，不同相之間的交界區(qū)稱為相界。相界種類:(1)共格相界兩相具有相同或相似的晶格結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)也比較接近。在相界面附近的原子可以通過形變，使兩側(cè)的原子排列保持一定的相位關(guān)系,這種相界稱為共格相界。第51頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三例如：

鈷在450℃由面心密積轉(zhuǎn)變?yōu)榱敲芊e：第52頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三晶格常數(shù)差別增大，交界處原子的收縮或擴(kuò)張程度增大，彈性畸變過于嚴(yán)重,則相界結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，而失去準(zhǔn)共格特征。

兩相具有相同或相似的晶體結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)差別小于10％，在相界面附近的原子可以通過收縮或擴(kuò)張等方式，使兩側(cè)的原子排列保持一定的相位關(guān)系,這種界面稱為準(zhǔn)共格相界面(2)準(zhǔn)共格相界面第53頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

一般情況下，多相材料中的各相的晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)相差較多，因此，不同晶體結(jié)構(gòu)的相界稱為非共格晶界。(3)非共格相界第54頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.3多晶體中的晶粒分布和晶界考察多顆晶體體系中，晶界的特征(1)多晶體中晶粒的形態(tài)在多晶體中體系應(yīng)該滿足：(a)充塞空間條件，即晶粒應(yīng)完整無(wú)缺地充滿整個(gè)空間；(b)晶界面自由能極小的條件。從滿足上述二個(gè)條件下，二維截面圖上，二個(gè)晶粒相交或三個(gè)以上晶粒交于一點(diǎn)的情況是不穩(wěn)定的。即三個(gè)晶粒交于一點(diǎn)是最穩(wěn)定的。第55頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

從界面能角度，依據(jù)晶界與相界的平衡可以判斷出多相顆粒形態(tài)。α、β兩相共存的多晶材料，其晶界和相界表面能平衡關(guān)系為：多相體系：第56頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三第57頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三實(shí)際的晶界并非都是正六邊形，在二維截面圖中可能存在有彎曲的晶界。但只要?jiǎng)恿W(xué)過程的允許，彎曲的晶界會(huì)沿著曲率中心運(yùn)動(dòng)，變成平直晶界聚集體。在二維截面圖，理論上晶界是不產(chǎn)生彎曲的，因?yàn)橹挥兄本€界面能最小，即正六邊形。第58頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三為了盡可能形成低能晶界，在晶界過渡區(qū)中(a)通過改變晶格常數(shù)大小，使兩邊原子得到匹配(b)形成一定數(shù)目的失配位錯(cuò)，使其兩邊原子獲得匹配即盡可能通過原子有序排列的過渡

多晶體中的晶界大都是大角度晶界。(2)晶界的一般特征第59頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

晶界是一個(gè)過渡區(qū)，是缺陷的密集地區(qū)。（a）晶界的結(jié)構(gòu)第60頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三在一些材料中雜質(zhì)含量可以低到10～100ppm（10-5～10-4），但在晶界中雜質(zhì)的含量由于偏析可高達(dá)1～5at％。有時(shí)晶界雜質(zhì)的偏析會(huì)對(duì)晶體的一些性質(zhì)（如耐蝕性，蠕變、脆性和電學(xué)性能等）起關(guān)鍵性的作用。

晶界結(jié)構(gòu)比晶體內(nèi)疏松，雜質(zhì)原子容易在此發(fā)生聚集。（b）晶界的成分第61頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三層狀析出層雜質(zhì)作為另外的結(jié)晶相在晶界析出，并以層狀或包裹形式存在于晶界中。粒狀析出層雜質(zhì)作為另外的結(jié)晶相在晶界析出，并以呈粒狀存在于晶界中。

晶界偏析層由偏析的雜質(zhì)離子所形成的層。偏析層厚度由20埃至1微米晶界異組成存在的方式第62頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三由于晶界電荷的存在，有時(shí)會(huì)形成晶界空間電荷區(qū)、晶界態(tài)和陷阱，直接影響到材料的電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)等性能。對(duì)于許多離子晶體來說，它的結(jié)構(gòu)單元是帶電的，因此缺陷也帶電。為此在晶界處會(huì)帶電。例如在MgO多晶材料中，如有高價(jià)雜質(zhì)離子存在，則晶界帶負(fù)電，如Al2O3中有MnO時(shí)，晶界帶正電。（c）晶界電荷第63頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三(3)陶瓷的晶界陶瓷是多成分、多晶體系，晶界是陶瓷重要微觀結(jié)構(gòu)特征之一。陶瓷晶界特征：第64頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三

第四節(jié)分界面分界面是指兩個(gè)或數(shù)個(gè)凝集相的交界面。與前面描述的界面主要表現(xiàn)考慮具有宏觀二維尺寸條件下層與層間的界面。通常分界面有：由氧化，腐蝕等化學(xué)作用生成的分界面(基體與表面層的界面)由薄膜與基板間的界面塊與塊結(jié)合界面，如熔焊或粘接的界面作用。第65頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.1Si-SiO2分界面集成電路基板---單晶硅電路中含有許多和多種半導(dǎo)體晶體管或元件，元件隔離主要依靠SiO2。硅表面常會(huì)有意進(jìn)行氧化，形成SiO2薄層，從而存在著Si-SiO2分界面。Si-SiO2分界面狀況與器件、電路的性能、成品率、可靠性等都有直接的關(guān)系。第66頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三第67頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三薄膜電路或一般電路中，電路的連接采用金屬薄膜材料(導(dǎo)電帶)。導(dǎo)電帶要求：導(dǎo)電性好、附著力高、抗蝕、抗氧化、焊接相容性好、抗老化性能好。4.2金屬薄膜間的分界面

一般一種金屬是很難同樣時(shí)間滿足上述要求，故采用多層金屬薄膜結(jié)構(gòu)。第68頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三Cr-Au雙層金屬膜是普遍采用的薄膜導(dǎo)電帶。Cr與襯底有良好的附著性，Au具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，能抗蝕抗氧化，所以Cr-Au可發(fā)揮出比較理想導(dǎo)電帶作用。缺點(diǎn)：Cr在高溫時(shí)很快往Au中擴(kuò)散，使導(dǎo)電帶電阻增加；(1)雙層導(dǎo)電帶Cr進(jìn)入表面并進(jìn)一步氧化，生成Cr2O3,這樣整個(gè)導(dǎo)電附著性能變差，使噪聲電平增大，焊接性能明顯下降。Cr-Au導(dǎo)電帶遇熱溫度<300℃，有焊接時(shí)間要盡量短。第69頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三第70頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三(1)金屬-非金屬交界面的結(jié)構(gòu)Ni/MgO的分界面：界面過渡區(qū)厚度小于40nm，有NiO微晶(~10nm)存在。金屬Ni晶粒與基板有一定的取向關(guān)系，有利于界面能的減小，如[001]MgO//[021]Ni。金屬-非金屬分界面：金屬被腐蝕或氧化形成新表面層，金屬和陶瓷間封接界面。分界面的附著力和穩(wěn)定性，對(duì)性能有很大的影響。4.3金屬-非金屬分界面第71頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三A金屬與非金屬界面附著力的來源有兩種：機(jī)械咬合作用金屬-非金屬間發(fā)生了鍵合作用B鍵合作用：化學(xué)鍵力、Vanderwasls色散力、鏡象作用力(a）鏡象作用的基本概念·金屬與非金屬分界面兩邊的介電常數(shù)相差非常大(金屬εr=∞，氧化物εr≈10）。·非金屬材料主要由離子鍵組成，在表面或界面中易形成帶電的缺陷和雜質(zhì)。(2)鏡象作用與金屬-非金屬界面的附著力第72頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三帶電的表面吸引金屬中電子偏聚在界面上，從產(chǎn)生一個(gè)附加界面能Eim(鏡象作用能)。ε1和ε2為兩邊的介電常數(shù)分別為。ε1中存在電荷Q距界面的距離為a。當(dāng)金屬ε2→∞,Eim是負(fù)值，能降低界面能，故產(chǎn)生吸引力。第73頁(yè)，講稿共80頁(yè)，2023年5月2日，星期三從物理意義來說,鏡象作用反映了電荷對(duì)可極化媒質(zhì)的穩(wěn)定性程度。鏡象作用力來源：化合物中的離子電荷靠近金屬而獲得穩(wěn)定化離子晶體中帶電