《表面结构与性质》PPT课件

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1、Chapter5表面结构与性质什么是表面、界面？固体的表面与性质有何关系？实际工程中有那些应用？5.1固体的表面及其结构5.2润湿与粘附表面质点所处环境不同于内部质点，存在悬键或受力不均而处于较高能态，呈现一系列特殊的性质。有关强度、韧性、导热、导电、介电、传感、腐蚀、氧化、催化、能量交换、摩擦磨损、光的吸收与反射等都与表面与界面特性密切相关。引起熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、吸附、润湿、化学活性、化学反应等方面的变化。表面与界面可近似看作是材料中的二维缺陷。概述（1）表面：固体与真空（或自身的蒸汽）的面。几个概念（2）相界：相邻相之间的交界面称相界面（广义）。（固-固、固-液

2、、固-气）；结构不同的两块晶体或结构相同而点阵参数不同的两块晶体接合所形成的交界面（狭义）固－固晶界d图5.1理想表面结构示意图指忽略晶体内部周期性势场在晶体表面中断、表面原子的热运动、热扩散、热缺陷及外界对表面的物理－化学作用等的影响的表面。其周期性与理想晶体完全一样。（实际上不存在）5.1固体的表面5.1.1理想表面清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理-化学效应的表面。这种表面的组成与体内相同，但周期性结构可以不同于体内。清洁表面台阶表面弛豫表面重构表面（根据表面原子排列状况）5.1.2　清洁表面台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组

3、成。[112][111][110](001)周期图4.1.2Pt（557）有序原子台阶表面示意图（1）台阶表面两个不同的晶面面心立方晶体接近(100)面的邻位面的平台－台阶－扭折模型图(a)(100)面平台上的台阶；（b）台阶上的扭折原子力显微镜观察石墨表面上外延生长的有机薄膜，层状成长明显。清晰地观察到約0.3nm生长阶梯。弛豫是指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距和体内原子层间距相比有所膨胀和压缩的现象。图5.3弛豫表面示意图0.1A0.35A图5.4LiF(001)弛豫表面示意图LiFd0（2）弛豫表面重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方

4、向的层间距离与体内相同。图5.5重构表面示意图d0d0asa（3）重构表面吸附表面有时也称界面。它是指在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。吸附的方式：物理吸附、化学吸附5.1.3　吸附表面固体表面自由能:恒温、恒压条件下，增加一个单位表面积时所做的功（J/m2）。（形成单位表面积时，体系Gibbs自由焓的增量）(与热力学平衡性质有关)表面张力：是扩张表面单位长度所需要的力(N/m)。(与机械性质有关)注：由于固体与液体形成表面时，其中原子移动的难易程度不同，前者难而后者易，因而，固体表面往往处于一种非平衡态，而液体则很快达到

5、动态的平衡状态。5.1.4固体的表面自由能和表面张力对没有外力作用的表面系统，系统总表面能将自发趋向于最低化。液体表面能倾向于形成球形表面，降低总表面能。液体表面能和表面张力具有相同的数值。固体表面能一般不等于表面张力，其差值与过程的弹性应变有关。原因：？？对于固体，引起表面变形过程比原子迁移率快的多，则表面结构受拉伸或压缩而与正常结构不同，因而，固体的表面能与表面张力在数值上不相等。扩张表面时要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用，故表面张力与物质原有的键合方式相关作用力弱：做功小表面能低作用力强：做功大表面能高表面能与键性：表面能反映的是质点间的引力作用，因此强键力的

6、金属和无机材料表面能较高。表面能与温度：随温度升高表面能一般为减小。因为热运动削弱了质点间的吸引力。表面能与杂质：物质中含有少量使表面能减小的组分，则会在表面上富集并显著降低表面能；若含有少量表面能增加的组分，则倾向在体内富集并对表面能影响不大。（1）一般情况下，固体的表面张力与固体的表面自由能在数值不相等。（因为固体的表面能包含了弹性能）；（2）固体的表面张力是各向异性的。（由于结构的各向异性及表面不均匀所致）；（3）决定固体表面形态不是表面张力，而是形成固体表面时的条件和它所经历的历史；（4）实际固体表面常被外来物污染而影响表面性质。在原子尺度上，实际固体表面是凹凸不平的

7、。（5）固体的表面自由能和表面张力的测定困难。固体表面特点：注：在研究固体表面时，对于与机械性质有关的场合，应用表面张力的概念，对于与热力学平衡性质有关的场合应用表面自由能。问题?一般说来，同一种物质，其固体的表面能要比液体的表面能大，试说明原因。同一种物质，其液体固体的表面结构不同，液体分子可自由移动，总是通过形成球形表面来降低其表面能；固体则不能，固体质点不能自由移动，只能通过表面质点的极化、变形、重排来降低系统的表面能，固体表面处于高能量状态（由于表面力的存在）。表面力场的形成：表面断键表现出剩余