材料表面与界面

《材料表面与界面》Surface and Interface in Materials授课对象： 开课单位：

硕 士 研 究生 材 料 学 院

材料表面与界面

课程编号: 0831001203a 课程学分: 2学分

教学方式:适用专业:

讲授、研讨、自学材料学、材料加工工程、 材料物理化学、生物医学工程

教学要求与目的：掌握目前关于材料表面与界面 结构与性质的基本理论；掌握近代材料表面改性 与分析的基本方法；了解材料表面与界面的研究

动向。

材料表面与界面

课程主要内容：一、材料表面与界面的结构 二、材料表面振动

三、材料表面电子态(金属、半导体)四、材料表面吸附 五、薄膜与非晶的表面与界面特性 六、外来粒子与表面的相互作用 七、材料表面与界面的分析方法

材料表面与界面

课程教材及主要参考书：1、孙大明等编著，固体的表面与界面，安徽教育出版社，19962、朱履冰主编，表面与界面物理，天津大学出版社，1992

3、李恒德，肖纪美，材料表面与界面，清华大学出版社，1990

材料表面与界面

第一部分 材料表面与界面的结构1.1 固体的表面一、理想表面 表面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 d 中断的影响；

内部

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；

理想表面示意图

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。

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二、清洁表面

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。

(表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内) 清洁表面可分为三种： 台阶表面、弛豫表面 、重构表面

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2(立面)

晶面3 (连接面)

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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。

可能涉及几个原子层。

表面ds

d0

内部

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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。

表面d0

内部

d0

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三、吸附表面

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。

吸附表面可分为四种吸附位置： 顶吸附、桥吸附 、填充吸附、中心吸附

俯视图

填充吸附剖面图

中心吸附

顶吸附

桥吸附

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四、表面自由能在建立新表面时，邻近原子将丢失，键被切断，因

此，必须对系统作功；同样，在一定温度和压力下，并保持平衡条件，若 增加表面能，系统也必须作功。

对所有单组分的系统

,表面总的自由能改变为：

dG SdT Vdp dAG---表面自由能； S---熵； V---体积； p---压力； ---表面张力； T---温度 A---表面积

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五、表面偏析杂质由体内偏析到表面，使多组分材料体系的表面组成 与体内不同。

将偏析与表面张力联系起来： (1) 若 2< 1, 表面张力较小的组分将在表面上偏析(富集); (2) 若 2= 1, 不存在表面偏析。

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1.2 表面二维结构平面 二维 格点阵列

格点 格点可以是一个原子(即

Bravais[布喇菲]格子);格点也可以是原子团； 二维格子中任意格点的位矢：

二维格子示意图

T na mb a 、b 为二维格子的基矢。

也是原胞的两条边。

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二维格子的数目是有限的，实际上只有5种Bravais格子，即 斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下：

名 称斜形 方形 六角形 矩形 中心矩形

格子符号P P P P C

基矢关系a b, 90°,任 意 a=b, =90° a=b, =120° a b, =90° a b, =90°

晶 系斜形 正方 六角 矩形 矩形

二维Miller指数 Miller指数标记二维晶格中平行晶列的各种取向。如(hk) 注意与晶面指数的区别。?

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表面结构命名法

Wood命名法 2×2 矩阵命名法

自学

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1.3 常见的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。

一、金属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；

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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)。

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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；

实例1:Si(111)面附近劈裂面在不同温度下实时转变状态的 STM图像；….. 实例2:GaAs在(100)、(111)、(111)极性表面有大量重 构发生，在(110)非极性表面未发现重构现象。

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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。

实例：氧化态TiO2,表面吸氧或脱氧，变成 Ti2O3、 TiO等 …..

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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。 实例：从金属薄膜的电子衍射花样(薄膜厚度不同可以有弥散 环、择优取向清锐环以及无择优取向清锐环等)、STM图像或

AFM图像等可说明。

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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。

一、界面类型平移界面从晶体学角度： 界面类型 孪晶界面 反演界面 气固界面

从实用角度：

半导体界面薄膜界面 超晶格界面

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1、平移界面

A.P.B R

SF R

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 R。其间的界面称为平移界面。

A.P.B --- R 等于点阵矢量，称反相界面；SF ---

R

不等于点阵矢量，称层错。