固体表面的物理化学特征

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1、第二章固体表面的物理化学特征1主要内容2.1固体表面的结构2.2固体表面的吸附2.3固体表面原子的扩散22.1固体表面的结构固体材料---工程技术中最普遍使用的材料。按材料特性分为：金属材料无机非金属材料有机高分子材料按所起的作用分为结构材料---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。功能材料—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。3原子、离子或分子排列情况晶体非晶体---原子、离子或分子在三维空间呈周期性规则排列，即存在长

2、程有序。---短程有序常见晶体结构面心立方密排立方体心立方---密排型，配位数是12---非密排型，配位数是8表面能---表面上方没有原子存在，出现“断键”，表面原子能量升高，这种高出来的能量就是~。4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。复相系---在一定温度和压力下，含有多个相的系统为复相系。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。5界面---两相接触的约几个分子厚度的过渡区，或两种不同相之间的交界区称为界

3、面。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。严格地讲，表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。6常见的界面气-液界面7气-固界面8液-液界面9液-固界面10固-固界面11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）（3）相界—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。—固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。12（1）理想表面（实际上不

4、存在）（2）清洁表面（3）实际表面2.1.1固体材料与气体界面13理想表面理想表面——没有杂质的单晶，作为零级近似可将表面看作为一个理想表面。从理论上看，它是结构完整的二维点阵平面。理想表面的前提条件：忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等；忽略了外界对表面的物理化学作用等。14理想表面的特点：理想表面作为半无限的晶体，体内原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。图理想表面结构示意图15清洁表面清洁表面——经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应

5、蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在10－6Pa－10－9Pa超高真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面不存在任何吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。16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：自行调整，原子排列情况与材料内部明显不同；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。17表2-3几种清洁表面的结构和特点181920晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一

6、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子层范围。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。21严格地说，清洁表面是指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。因此制备清洁表面是很困难的，而在几个原子层范围内的清洁表面，其偏离三维周期性结构的主要特征应该是：表面台阶、表面弛豫、表面重构。22图Pt（557）有序原子台阶表面示意图台阶表面不是一个平面，它是由有规

7、则的或不规则的台阶所组成。（1）台阶表面23图弛豫表面示意图在固体表面处，由于固相的三维周期性突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。（2）弛豫表面LiF（001）弛豫表面示意图，LiF24重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间距则与体内相同。（3）重构（或再构）表面图重构表面示意图25缺列型重构---表面周期性地缺失原子列造成的超结构重组型重构---并不减少表面的原子数，但却显著地改变表面的原子排列方式。26实际表面实际表面——暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，

8、或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。（也称吸附表面）图实际表面示意图内表层外表层基体材料层加工硬化层吸附层氧化层27实际表面与清洁表面相比有较大不同：表面粗糙度---指加工表面上具有的较小间距的波峰和波谷所组成