材料表面结构-演讲PPT解析.ppt 23页

'2.1固体表面结构与性能2.1.1固体的表面结构2.1.2表面自由能与界面润湿 2.1.1固体的表面一、理想表面d内部表面理想表面示意图理论上结构完整的二维点阵平面。理论前提：1、不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；2、不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等；3、不考虑外界对表面的物理-化学作用等；4、认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位置与结构是半无限的，与体内完全一样。（指固体材料与气体或液体的分界面，包括理想、清洁、覆盖和实际表面） 1、台阶表面---表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。晶面1（平面）晶面3（连接面）晶面2（立面）清洁表面通常分为三种：台阶表面、弛豫表面、重构表面二、清洁表面不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。台阶 2、弛豫表面---指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。ds内部表面d0弛豫 3、重构表面---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间距d0与体内相同。d0内部表面d0重构 三、覆盖表面当其他原子进到表面出现另外的表面结构，这种表面成为覆盖表面，其中，这些原子可以来自外部，也可以来自内部杂质原子。（表面的化学组成和排列都与体内不同，分为吸附、偏析或化合等形式）吸附化合偏析 四、实际表面指经过一定加工处理（切割、研磨、抛光、清洗等）的表面。与清洁表面相比较，有下列一些重要特点：<1>表面粗糙度：表面有明显的起伏，同时还可能有裂缝、空洞等。<2>拜尔贝层：在表面约10nm的深度内，形成一种非晶态薄层-----拜尔贝（Beilby）层。<3>表面存在大量的活性晶格点：比电解抛光或低温退火预处理后的表面更活泼。<4>残余应力：机加工后，除了表面产生拜尔贝层之外，还存在着各种残余应力，按其作用范围大小可分为宏观内应力和微观内应力。<5>表面氧化，吸附和粘污：固体与气体的作用有三种形式：吸附、吸收和化学反应。 2.1.3常见的表面结构一、金属表面结构目前已确定有100多种表面结构。以下主要介绍金属表面结构、半导体表面结构、氧化物表面结构以及薄膜表面结构。清洁的金属表面，低能电子衍射（LEED）研究表明具有如下特点：1、其Miller指数面的表面单胞多为（1×1）结构；2、表面单胞与体内单胞在表面的投影相等；3、表面键长与体内键长相近； 4、垂直于表面的最上层与第二层的间距接近于体内的值，变动小于5%。一些（较少）非紧密堆积的晶面，约有5%-15%的缩短；5、非紧密堆积的原子比紧密堆积的原子更趋向于松弛；6、有些晶面上吸附原子后，表面和体内的键长差别减小甚至消失（可能是表面断裂的键由于吸附杂质原子而获得恢复）。 二、半导体表面结构清洁的半导体表面，具有如下特点：1、表面普遍发生重构现象；2、半导体表面结构具有各自稳定性的温度范围，温度太高或太低，表面会从一种结构转变为另一种结构； 三、氧化物表面结构对于氧化物表面，一般都出现重构现象，主要原因是非化学计量的诱导和氧化态变化造成的。 四、薄膜表面结构对于薄膜表面，交换着原子、离子、电子、光子以及其它粒子，并决定薄膜一系列的光学、电学、磁学、力学、生物学等性质。对于薄膜表面结构，受到如下因素的影响：1、薄膜制备过程中的各种条件；2、基底材料种类与晶面；3、薄膜与基底之间的界面。所以，薄膜表面结构非常复杂。 2.1.4固体的界面界面：两相之间的接触面。如相界面、内界面、晶界等。界面类型从晶体学角度：平移界面孪晶界面反演界面从实用角度：气固界面半导体界面超晶格界面薄膜界面一、界面类型 1、平移界面在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量。其间的界面称为平移界面。A.P.BSFA.P.B---等于点阵矢量，称反相界面；SF---不等于点阵矢量，称层错。 2、孪晶界面3、混合界面孪晶界面又称取向界面。孪晶界面与平移界面混合后的界面。 4、反演界面当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着。IB左侧右侧 5、超晶格界面结构在制膜过程中，如果逐层沉积不同结构或成分的材料，控制膜厚，形成厚度方向的周期性结构，就会得到超晶格薄膜。获得：在分子束外延或金属有机物化学沉积中，通过计算机严格控制，使每层的厚度控制在10-100Å范围，交替沉积，构成多层结构，从而获得超晶格薄膜。 6、薄膜界面结构薄膜界面结构非常繁杂，因为：薄膜本身的结构和成分多种多样，如单晶、多晶、非晶、无定形、合金等；薄膜常含有不同程度的杂质和缺陷；各种结构和成分的基底；等等。 7、陶瓷晶界结构1、电容器陶瓷晶界2、压电陶瓷晶界3、半导体陶瓷晶界4、超导体陶瓷晶界 二、界面的微观结构指晶粒间界的结构，是在晶体结晶过程中形成的，存在于多晶材料中。晶界区的晶粒表面原子，由于受到相邻晶粒势场的作用，这些原子将在晶界区重新排列并达到平衡状态。晶粒1晶粒2晶界晶界原子排列示意图据晶界结构相邻晶粒取向差别角度的大小，可分为小角度晶界和大角度晶界。 2、小角度晶界两个相邻晶粒取向差别角度在0-10º之间。小角倾转晶界示意图P54图倾斜晶界、扭转晶界、重合晶界 3、大角晶界当两个相邻晶粒取向差别角度超过10º时为大角倾斜晶界，此时晶界内位错密集，当超过35º时，位错覆盖整个界面。4、共格晶界界面两边相邻晶粒的原子成一一对应的相互匹配关系。界面上的原子为相邻两个晶体所共有。共有原子相邻晶粒的面间距差不多时，可完全共格；面间距相差较大时，出现部分共格。 5、晶界能晶界能：晶界处的界面能。小角度范围（<10º）时：小角度晶界的能量主要来自位错能量，而位错密度又决定于晶粒间的位向差，所以，小角度晶界能γ也和位向差θ有关：γ0为常数，取决于材料的切变模量G、泊松比ν和柏氏矢量b，A为积分常数，取决于位错中心的原子错排能。大角度范围：复杂，有待进一步解释。'