无机非金属材料结构基础--表面与界面

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1、第5讲表面与界面一、固体的表面在稳定状态下，自然界的物质通常以气-液-固三种形态存在。三者之中，任何两相或两相以上的物质共存时，会分别形成气-液、气-固、液-液、液-固、固-固以及气-液-固多相界面。通常所讲的固体表面实际上是指气-固两相界面，而看到的液体表面则是气-液两相界面。9/1/2021174在不同的技术学科中，人们对材料表面的尺度往往有不同的划分和理解。从结晶学和固体物理学考虑，表面是指晶体三维周期结构同真空之间的过渡区，它包括不具备三维结构特征的最外原子层，如一个或数个原子层的区域。材料学中

2、通常将气相（或真空）与凝聚相之间的分界面称为表面。9/1/2021274从实用技术学科角度考虑，表面是指结构、物性、质点（原子、分子、离子）的能量状态和受力情况等与体相不相同的整个表面层,它的尺度范围常常随着客观物体表面状况的不同而改变，也随着不同技术学科领域研究所感兴趣的表面深度不同而给表面以不同尺度范围的划分。9/1/20213741、概念表面：指一个相和它本身蒸气（或真空）相接触的分界面。界面：指一个相和另一个结构不同的相接触时的分界面。理想晶体：任一个质点都处在三维无限连续的空间中，质点周围作用环境

3、完全相同。实际晶体：处于物体表面的质点，其连续排列被中断，质点受力状态不同于内部质点，处于较高的能态，所以导致材料呈现一系列特殊的性质。9/1/2021474例如：1kg直径为10－2米的石英变成10－9米的石英时，表面积和表面能增加143倍。由于高分散系比低分散系能量高得多，必然使物系性质表现出很大的差异。物理性质：熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、吸附、润湿和烧结活性等化学性质：化学活性、催化、固相反应等9/1/20215742、固体的表面现象处于任何相态的任何物质的表面与其体相相比较,二者在组成、结构、性能

4、、质点（原子、分子、离子）的能量状态和受力情况等方面均有差别，由此而产生的各种物理和化学现象称之为表面现象，集中表现在以下几个方面：1）表面质点的几何结构不同于体相，形成新的对称性与元格结构（表面基元结构，以区别于三维体相晶体结构中的元胞），发生相变，同时还会产生各种微观缺陷。2）由于表面质点配位数的减少，相对于体内环境，处于表面上的质点其迁移和扩散运动要容易得多，因为所要克服的能量势垒较低。质点的迁移扩散必然引起表面质点的重新排列及相关元素的重新分布。对于合金、掺杂金属氧化物、含添加剂的聚合物及异质多层沉

5、积膜，还会发生表面偏析现象。9/1/20216743）由于三维周期势场的突然中断，在表面上形成新的电子结构，如悬挂键。固体物理学家和半导体科学家通常将其称为“表面电子态”。固体表面化学家则习惯用“表面化学键”来定义表面上的特殊电子结构。4）由于表面存在不饱和价键，因此在化学上表现异常活泼，直接影响外来原子或分子在固体表面上的吸附和催化反应。总之，表面上质点的几何排列、电子结构、元素组成及化学状态与体相是完全不同的，因而在宏观上显示出固体材料表面特有的物理化学现象，并表现出特殊的物理化学性质。9/1/2021

6、7743、固体的表面力场1）化学力物质中的质点因受到周围别的质点的作用而存在力场。对于晶态物质来说，其内部质点排列有序并呈现周期性重复变化，因此，每个质点受到的作用力场是对称的。但在晶体表面，质点排列的周期重复性中断，使表面质点作用力场的对称性被破坏，表现出剩余的键力，这就是固体表面力中的化学力，其本质为静电力，源于表面质点的不饱和价键，并可以用表面能的数值来衡量。对于离子晶体，表面力主要取决于晶格能和极化作用。通常，表面能与晶格能成正比，而与分子体积成反比。对于非晶态固体，同样存在表面力场，而且由于其内能

7、高于同化学组成的晶体，表面力场的作用更为显著。9/1/20218742）物理作用力或叫分子间力1）取向力：当两个极性分子相互靠近时，分子固有的偶极之间发生同极相斥、异极相吸作用，使分子在空间按一定取向排列，从而使体系处于一种更稳定的状态。这种固有的偶极间的作用力为取向力，其实质是偶极子间的静电力。2）诱导力：当极性分子与非极性分子相遇时，极性分子的固有偶极产生的电场作用力使非极性分子的电子云变形，且诱导非极性分子形成偶极子。固有偶极子与诱导偶极子进一步相互作用（同极相斥、异极相吸），使体系达到一种新的平衡和

8、稳定状态。这种作用力被称为诱导力。3）色散力：非极性分子产生的瞬时偶极可使与它相邻的另一非极性分子产生瞬时诱导偶极。两个偶极子处于异极相邻的状态，从而产生分子间吸引力。这种由于分子不断产生瞬时偶极而形成的作用力被称为色散力。这3种分子间力统称为范德华力。9/1/2021974分子间力的特点：1）分子间力的大小与分子间距离的6次方成反比。因此分子间距稍远时，分子间力明显减弱。它们的作用距离大约在300～500pm范