材料表面結(jié)構(gòu)演講解析課件

1、2.1 固體表面結(jié)構(gòu)與性能2.1.1 固體的表面結(jié)構(gòu)2.1.2 表面自由能與界面潤濕2.1.1 固體的表面一、理想表面d內(nèi)部表面理想表面示意圖理論上結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面。理論前提：1、不考慮晶體內(nèi)部周期性勢場在晶體表面中斷的影響；2、不考慮表面原子的熱運(yùn)動、熱擴(kuò)散、熱缺陷等；3、不考慮外界對表面的物理-化學(xué)作用等；4、認(rèn)為體內(nèi)原子的位置與結(jié)構(gòu)是無限周期性的，則表面原子的位置與結(jié)構(gòu)是半無限的，與體內(nèi)完全一樣。（指固體材料與氣體或液體的分界面，包括理想、清潔、覆蓋和實(shí)際表面）1、臺階表面 - 表面不是平面，由規(guī)則或不規(guī)則臺階組成。晶面1（平面）晶面3 （連接面）晶面2 （立面）清潔表面通常分為三

2、種：臺階表面、弛豫表面 、重構(gòu)表面 二、清潔表面 不存在吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散等一系列物理、化學(xué)效應(yīng)的表面。臺階2、弛豫表面 -指表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之間的垂直間距ds和體內(nèi)原子層間距d0相比有所膨脹和壓縮的現(xiàn)象。ds內(nèi)部表面d0弛豫3、重構(gòu)表面 - 指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但在垂直方向上的層間間距d0與體內(nèi)相同。d0內(nèi)部表面d0重構(gòu)三、覆蓋表面當(dāng)其他原子進(jìn)到表面出現(xiàn)另外的表面結(jié)構(gòu)，這種表面成為覆蓋表面，其中，這些原子可以來自外部，也可以來自內(nèi)部雜質(zhì)原子。（表面的化學(xué)組成和排列都與體內(nèi)不同，分為吸附、偏析或化合等形式）吸附化合偏析四、實(shí)際表面指經(jīng)過一定加工處理（

3、切割、研磨、拋光、清洗等）的表面。與清潔表面相比較，有下列一些重要特點(diǎn)： 表面粗糙度：表面有明顯的起伏，同時(shí)還可能有裂縫、空洞等。 拜爾貝層：在表面約10nm的深度內(nèi)，形成一種非晶態(tài)薄層-拜爾貝 （Beilby）層。 表面存在大量的活性晶格點(diǎn)： 比電解拋光或低溫退火預(yù)處理后的表面更活潑。 殘余應(yīng)力：機(jī)加工后，除了表面產(chǎn)生拜爾貝層之外，還存在著各種殘余應(yīng)力，按其作用范圍大小可分為宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力。 表面氧化，吸附和粘污：固體與氣體的作用有三種形式：吸附、吸收和化學(xué)反應(yīng)。2.1.3 常見的表面結(jié)構(gòu)一、金屬表面結(jié)構(gòu) 目前已確定有100多種表面結(jié)構(gòu)。以下主要介紹金屬表面結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)、氧化

4、物表面結(jié)構(gòu)以及薄膜表面結(jié)構(gòu)。 清潔的金屬表面，低能電子衍射（LEED）研究表明具有如下特點(diǎn)：1、其Miller指數(shù)面的表面單胞多為（1 1）結(jié)構(gòu)；2、表面單胞與體內(nèi)單胞在表面的投影相等；3、表面鍵長與體內(nèi)鍵長相近；4、垂直于表面的最上層與第二層的間距接近于體內(nèi)的值，變動 小于5%。一些（較少）非緊密堆積的晶面，約有5% - 15%的 縮短；5、非緊密堆積的原子比緊密堆積的原子更趨向于松弛；6、有些晶面上吸附原子后，表面和體內(nèi)的鍵長差別減小甚至消 失（可能是表面斷裂的鍵由于吸附雜質(zhì)原子而獲得恢復(fù)）。二、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)清潔的半導(dǎo)體表面，具有如下特點(diǎn)：1、表面普遍發(fā)生重構(gòu)現(xiàn)象；2、半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)具有

5、各自穩(wěn)定性的溫度范圍，溫度太高或太低，表面會從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)；三、氧化物表面結(jié)構(gòu) 對于氧化物表面，一般都出現(xiàn)重構(gòu)現(xiàn)象，主要原因是非化學(xué)計(jì)量的誘導(dǎo)和氧化態(tài)變化造成的。四、薄膜表面結(jié)構(gòu) 對于薄膜表面，交換著原子、離子、電子、光子以及其它粒子，并決定薄膜一系列的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)等性質(zhì)。對于薄膜表面結(jié)構(gòu)，受到如下因素的影響：1、薄膜制備過程中的各種條件；2、基底材料種類與晶面；3、薄膜與基底之間的界面。所以，薄膜表面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。2.1.4 固體的界面界面：兩相之間的接觸面。如相界面、內(nèi)界面、晶界等。界面類型從晶體學(xué)角度：平移界面孿晶界面反演界面從實(shí)用角度：氣固界面半導(dǎo)體界面超

6、晶格界面薄膜界面一、界面類型1、平移界面 在結(jié)構(gòu)相同的晶體中，一部分相對于另一部分平滑移動一個(gè)位移矢量 。其間的界面稱為平移界面。A.P.BSFA.P.B - 等于點(diǎn)陣矢量，稱反相界面；SF - 不等于點(diǎn)陣矢量，稱層錯(cuò)。2、孿晶界面3、混合界面孿晶界面又稱取向界面。孿晶界面與平移界面混合后的界面。4、反演界面 當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)由中心對稱向非中心對稱轉(zhuǎn)變時(shí)，由反演操作聯(lián)系起來的兩個(gè)疇之間形成反演界面IB。反演界面兩側(cè)點(diǎn)陣相同，但通過一個(gè)反演中心聯(lián)系著。I B左側(cè)右側(cè)5、超晶格界面結(jié)構(gòu) 在制膜過程中，如果逐層沉積不同結(jié)構(gòu)或成分的材料，控制膜厚，形成厚度方向的周期性結(jié)構(gòu)，就會得到超晶格薄膜。 獲得： 在分

7、子束外延或金屬有機(jī)物化學(xué)沉積中，通過計(jì)算機(jī)嚴(yán)格控制，使每層的厚度控制在10-100范圍，交替沉積，構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，從而獲得超晶格薄膜。6、薄膜界面結(jié)構(gòu)薄膜界面結(jié)構(gòu)非常繁雜，因?yàn)椋?薄膜本身的結(jié)構(gòu)和成分多種多樣，如單晶、多晶、非晶、無定形、合金等； 薄膜常含有不同程度的雜質(zhì)和缺陷； 各種結(jié)構(gòu)和成分的基底； 等等。7、陶瓷晶界結(jié)構(gòu)1、電容器陶瓷晶界2、壓電陶瓷晶界3、半導(dǎo)體陶瓷晶界4、超導(dǎo)體陶瓷晶界二、界面的微觀結(jié)構(gòu) 指晶粒間界的結(jié)構(gòu)，是在晶體結(jié)晶過程中形成的，存在于多晶材料中。晶界區(qū)的晶粒表面原子，由于受到相鄰晶粒勢場的作用，這些原子將在晶界區(qū)重新排列并達(dá)到平衡狀態(tài)。晶粒1晶粒2晶界晶界原子排列示意圖 據(jù)晶界結(jié)構(gòu)相鄰晶粒取向差別角度的大小，可分為小角度晶界和大角度晶界。 2、小角度晶界兩個(gè)相鄰晶粒取向差別角度在0-10之間。小角傾轉(zhuǎn)晶界示意圖P54 圖傾斜晶界、扭轉(zhuǎn)晶界、重合晶界3、大角晶界 當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒取向差別角度超過10時(shí)為大角傾斜晶界，此時(shí)晶界內(nèi)位錯(cuò)密集，當(dāng)超過35時(shí)，位錯(cuò)覆蓋整個(gè)界面。4、共格晶界 界面兩邊相鄰晶粒的原子成一一對應(yīng)的相互匹配關(guān)系。界面上的原子為相鄰兩個(gè)晶體所共有。共有原子 相鄰晶粒的面間距差不多時(shí)，可完全共格；面間距相差較大時(shí)，出現(xiàn)部分共格。5、晶界能晶界能：晶界處的界面能。 小角度范