第二章固體表面特性及固氣

1、本章講授的主要內容：1. 固體表面特征和固體表面熱力學描述2. 固體表面能的計算及其影響因素3. 固體表面能的測定方法4. 固體表面成分和結構的測試方法本章講授重點：1. 固體表面特征和固體表面熱力學描述2. 固體表面能的計算及其影響因素2.1 固體表面特征和表面熱力學1. 固體表面特征Microstructure0f CeO2 ceramics鋁板表面微觀形貌塑料板表面微觀形貌SEM image of the top surface of a ferroelectric thin film showing an abnormal grain growth Surface of a calci

2、um modified lead titanate thin film. SEM surface image of a Sm modified PbTiO3 thin film. STM false colour image of the structure formed by evaporating gold onto a silicon surface. -PbO2 高壓型TiO2球形納米顆粒的高分辨電子顯微像金(110)表面(12)重構的高分辨電子顯微像固體表面放大的切面輪廓示意圖l固體表面分子（原子）的運動受縛性；l固體表面的不均一性；l固體表面的吸附性2. 固體表面應力和表面Gibb

3、s能l 固體表面Gibbs能： 固體的表面Gibbs能也是產(chǎn)生1cm2新表面需消耗的等溫可逆功。l 表面應力 當把固體切開，形成新表面時，新表面上的分子和原子因不能自由移動，仍停留在原來的位置上，但新表面上的分子和原子因受力不均，有自動調整其間距達到表面平衡構型的傾向，于是產(chǎn)生了表面應力。l 表面應力的定義： 定義 為單位長度上的表面應力，則沿著相互垂直的兩個表面上的表面應力與表面張力有如下的關系：2/ )(21l表面應力和表面Gibbs能的關系(1) 各向同性的固體 1=2=, = dAdGAGdAAGd)(21特別地對于液體：ssGdAdG0(2) 各向異性固體 設各向異性固體在兩個方向上

4、的面積增量各為dA1和dA2AdA1dA2總的表面自由能增加可表示為：222111)()(dAGAddAGAd)/()/(222111dAdGAGdAdGAG3. 晶體的平衡形態(tài)(1) 晶體表面的結構面心立方晶格的低指數(shù)面2.1 固體表面特征和表面熱力學結晶面、表面原子密度及鄰近原子數(shù)(2) 準化學方法估算表面能-結合鍵 考慮配位數(shù)為Z、含有NA個原子的晶體共有1/2ZNA個結合鍵，令每個結合鍵的結合能為AA，而升華熱HS便是破壞所有鍵所需的能量：AAAS21ZNH 對于面心立方晶體，若表面是(111)面，則形成表面便喪失三個結合鍵，這三個結合鍵屬于兩個表面。若無其他變化，則：ASSAASSV

5、SV423NHNNHU 面心立方晶體在(100)面形成表面，會喪失4個結合鍵。類似推理，得到(100)面的表面能為：ASSSV3NHNH(2) 界面能級圖與晶體的平衡形態(tài) Wulff 定理恒溫恒壓下，一定體積的晶體在與流體相處于平衡時，它所具有的平衡形態(tài)應使其總的界面能最小。constVAiimin, 首先，推導伍爾夫曲線?？紤]如圖6-16a所示的二維晶格的01“面”，設表“面”S與01“面” 的夾角為，則形成一系列平臺和臺階，破壞了一系列結合鍵。由于水平長度為1，則S 的長度為l/cos。形成S所破壞的水平線上及垂直線上的鍵數(shù)分別為1/a及 tan/a。2.1 固體表面特征和表面熱力學fcc

6、及bcc晶體分別在 111、 100及110 有尖點，因而其平衡晶面分別是111、100及110、100，這種預測為實驗所證實。l小結： 固體表面原子的可動性比液體要小得多，因而其表面狀態(tài)往往取決于形成表面的歷史，而不像液體那樣取決于表面張力。實際晶體的外形是要受到其動力學過程及其他的非平衡態(tài)因素的影響的，因而其外形常常不具有Wulff結構，晶體的表面狀態(tài)及其能量要受到燒結、研磨、拋光等加工過程的影響。(3) 界面結構的理論模型完整光滑突變界面模型非完整光滑突變界面模型粗糙突變界面模型彌散界面模型卡恩模型小結： 對于液體，表面張力、表面應力與表面Gibbs能具有相同的數(shù)值，而對于固體，三者的數(shù)

7、值均不相等，表面張力可以看成是兩相互垂直方向上表面應力的平均值；表面應力為單位長度上施加的外力；而表面Gibbs能是形成單位表面積時Gibbs能的增量。1. 共價鍵晶體表面能的計算l Harkins模型 0K時有：鍵EE212. 離子晶體表面能的計算 離子晶體的相互作用勢能： sssEEEprebbbrdrCreZZrEjiijijjiij862)(3. 金屬鍵晶體表面能的計算 Skapski模型：)()2(0sisnnNE4. 分子鍵晶體 對于分子晶體由于Van der waals引力范圍很廣，表面不規(guī)則，理論處理尚在探索中。5. 討論l 只能計算有限的固體表面；l 理論計算只是對固體表面能

8、的估算，只能供實驗時參考；l 理論計算值與實際的固體表面能總是有偏差，往往低于實際的數(shù)值；1. 溫度外推法2. 晶體劈裂功法ExT2/22)(32TTKVC)(32dTTKVC3. 溶解熱法4. 應力應變速率曲線法5. 升華熱法ivapivapnNEnNE00/22/AEEnnnNEsssiis/),(20材材料料信號信號輸入輸入信號信號輸出輸出材料與輸入材料與輸入信號相互作信號相互作用，產(chǎn)生輸用，產(chǎn)生輸出信號。出信號。比較輸入比較輸入和輸出信和輸出信號，獲取號，獲取材料的相材料的相關信息。關信息。1、輸入什么信號；、輸入什么信號；2、獲取什么信號；、獲取什么信號；3、輸入信號與、輸入信號與材

9、料的相互作用，以及輸出信號的產(chǎn)生過程。材料的相互作用，以及輸出信號的產(chǎn)生過程。信號信號輸入輸入信號信號輸出輸出光子、電子、光子、電子、離子束、中子離子束、中子光子、電子、光子、電子、離子束、中子離子束、中子材料材料了解了解掌握掌握和靈和靈活運活運用各用各種表種表征手征手段。段。2.4.1 掃描電子顯微鏡Nucleation and growth of Bi12TiO20 thin films prepared by pulsed laser deposition on (100)ZrO2 :Y substrates. Cubic nuclei, 50 nm size Lateral growt

10、h of the nuclei Morphology of the film obtained 2.4.2 STM和AFM1 Sample2 Sample-holder3 Clamps4 Tip5 Tip holder 6 Scanner tube7 Approach motor rod8 Motor mount9 Approach mount10 Quartz balls11 Zener Diode Si(111) -7x7, 15nm x 15nmSi(111) -7x7, 50nm x 50nm Pt(110) missing row reconstructed surface with

11、 deposited Pt atoms Hex-reconstruction of the Pt(100) surface MoS2 nanocrystal on Au(111) , 4142 2 Palladium nanocrystal on Al2O3, 5050 2 -Cu-O- rows on Cu(110) (100 x100 ) 2.4.3 離子探針顯微分析2.4.4 Auger電子能譜 WXY俄歇過程示意圖俄歇過程示意圖錳錳氧化錳氧化錳2.4.5 X射線光電子能譜X射線射線(h )光電子光電子(e-)1. 某面心立方結構的金屬，其蒸發(fā)能為209 kJ/mol，mol體積為7.1cm3/mol，試計算其(111)面的表面能。2. 假定有一個二維晶體，其單胞為簡單的正方形。如果10與11分別為4.010-5J/ cm2與2.010-5J/cm2，試討論該晶體的Wulff構造的特點。3. 實驗測得NaCl超細粉料A與粗粉料R的溶解熱差值為134J/mol；細粉料B與粗粉料R的溶解熱差值為89J/mol。顯微觀察表明，每g粉料A所含的料粒數(shù)是粉料B的15倍。試計算粉料A與粉料B的比表面積的差值及粉料A比表面積與粉料B比表面能的比值。已