表面科學(xué)與技術(shù)課件一章緒論

1材料表面科學(xué)與技術(shù)教材：表面科學(xué)與技術(shù)，姚壽山等，機(jī)械工業(yè)出版社2005材料表面科學(xué)，曹立禮，北京清華大學(xué)出版社2007現(xiàn)代材料表面科學(xué)技術(shù)，戴達(dá)煌等，冶金工業(yè)出版社20042第一章緒論

3為什么需要表面技術(shù)？斷裂4為什么需要表面技術(shù)？斷裂SUBARUImpreza5為什么需要表面技術(shù)？斷裂6為什么需要表面技術(shù)？腐蝕7為什么需要表面技術(shù)？腐蝕8為什么需要表面技術(shù)？磨損9為什么需要表面技術(shù)？磨損10為什么需要表面技術(shù)？磨損、腐蝕和疲勞斷裂是機(jī)械零部件、工程構(gòu)件的三大主要破壞形式，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。上世紀(jì)80年代在美國(guó)國(guó)家材料政策委員會(huì)的一份報(bào)告中指出：由于摩擦磨損引起的損失，使美國(guó)經(jīng)濟(jì)每年支付1000億美元；1995年4月Battelle和SSINA發(fā)表報(bào)告指出：美國(guó)因腐蝕一年損失達(dá)3000億美元。美國(guó)國(guó)家工程腐蝕協(xié)會(huì)在2002年指出,腐蝕作用對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施或產(chǎn)品造成的直接損失相當(dāng)于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的3.1%,大約為2760億美元。中國(guó)每年由于摩擦磨損損失584.7億元；由于金屬材料和周?chē)h(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)所帶來(lái)的腐蝕損失每年大約5000億元人民幣，約占我國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值的6%左右。我國(guó)石油與天然氣每年由腐蝕造成的損失約100億元，煤炭工業(yè)每年腐蝕損失約為55.6億元，而電力系統(tǒng)每年的腐蝕損失則近17億元。11磨損、腐蝕和疲勞這些破壞一般都是從表面開(kāi)始的。表面與外界環(huán)境接觸：表面常存在缺陷：為什么？

保護(hù)表面可起到事半功倍的效果為什么需要表面技術(shù)？氧化、腐蝕、接觸彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦制造、保存

聲、光、電、磁、生物、催化等功能也多與表面有關(guān)多數(shù)情況下表面受到的載荷大：12距今約2500年，主要成分是銅、錫以及少量的鋁、鐵、鎳、硫組成的青銅合金，劍身的黑色菱形花紋經(jīng)過(guò)硫化處理。

中國(guó)古代表面技術(shù)13秦始皇墓二號(hào)坑出土的青銅劍，經(jīng)過(guò)兩千多年仍光亮如新、鋒利如初。經(jīng)分析，劍表面有一層厚度約10微米的含鉻的氧化層，保護(hù)著青銅劍避免了腐蝕。實(shí)際是經(jīng)過(guò)鉻酸鹽處理（德國(guó)在1937年，美國(guó)在1950年才先后發(fā)明并申請(qǐng)專(zhuān)利）。中國(guó)古代表面技術(shù)14貼金：將很薄的金箔包貼在器物外表，起保護(hù)、裝飾作用。 古法制金箔是先將金提純，再敲打成為面積2.5平方厘米的金葉，然后夾在用煤油熏煉成的烏金紙里，再經(jīng)6－8小時(shí)的手工錘打，使金葉成箔，面積相當(dāng)于金葉的四十倍左右，再裁成方形即成，厚度不足0.12微米。 5000多年前的新石器時(shí)代三星堆遺址出土文物中，金器用金箔貼飾。三星堆文物古代的貼金、鎏金技術(shù)都是表面技術(shù)的代表金箔中國(guó)古代表面技術(shù)15中國(guó)古代表面技術(shù)16鎏金：用汞混合黃金涂抹銀器表面，經(jīng)火烘烤，汞受熱揮發(fā)，金則牢固附著于銀器表面。步驟：①配制金汞齊并用酸堿溶液清理器物表面。金汞齊配法是先將黃金打薄剪碎，放入已經(jīng)預(yù)熱的坩堝內(nèi)，再注入水銀，使之摻合成膏狀。金汞比為1:5～1:7。②抹金。將配好的金汞齊用推壓法均勻地涂覆在器物表面。③開(kāi)金，即烘烤鍍件，促進(jìn)汞揮發(fā)，使黃金保留下來(lái)。④壓光。用瑪瑙或硬度達(dá)到七八度的玉石做成的壓子在鍍金面反復(fù)磨壓，把鍍金壓平目的是使鍍層更為致密、光亮。操作得當(dāng)時(shí)，鍍層的顏色可長(zhǎng)久不變。鎏金佛像中國(guó)古代表面技術(shù)鎏金羊燈17電鍍（鉻)自行車(chē)圈、輻條汽車(chē)外殼、暖氣片、家具、墻壁自來(lái)水管、鐵絲、計(jì)算機(jī)機(jī)箱mp3、手機(jī)金屬色塑料外殼日常生活中可以看到哪些表面技術(shù)？螺栓、螺帽（深色）玻璃幕墻眼鏡片、照相機(jī)鏡頭齒輪、軸類(lèi)鋁合金門(mén)窗不粘鍋化學(xué)鍍/電鍍漆/涂料熱(浸)鍍鋅發(fā)藍(lán)（發(fā)黑）真空蒸鍍?yōu)R射鍍膜/蒸鍍表面淬火/化學(xué)熱處理陽(yáng)極化PTFE涂層18第一節(jié) 表面技術(shù)的涵義綜合化的，用于提高材料表面性能的各種新技術(shù)，統(tǒng)稱(chēng)為現(xiàn)代材料表面技術(shù)(現(xiàn)代表面技術(shù))。表面技術(shù)是一個(gè)十分寬廣的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是具有極高使用價(jià)值的基礎(chǔ)技術(shù)。當(dāng)今國(guó)內(nèi)外表面技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用，都是把各類(lèi)表面技術(shù)作為一個(gè)系統(tǒng)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化組合。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、使材料“物盡其用”；通過(guò)優(yōu)化組合，使各類(lèi)表面技術(shù)“各展所長(zhǎng)”。19第一節(jié)表面技術(shù)的涵義表面工程：是經(jīng)表面預(yù)處理后，通過(guò)表面涂覆，表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀況，以獲得所需要表面性能的系統(tǒng)工程。表面工程作為一個(gè)完整的概念，它又是一門(mén)典型的學(xué)科交叉，系統(tǒng)性強(qiáng)，涉及面廣的邊緣學(xué)科。 表面工程是表面技術(shù)的綜合和向產(chǎn)品化的延伸 材料表面工程是把材料的表面與基體作為一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改性，以最經(jīng)濟(jì)，最有效的方法

改善材料表面及近表面區(qū)的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)，并賦予材料表面新的復(fù)合性能；使許多新構(gòu)思、新材料、新器件，實(shí)現(xiàn)了新的工程應(yīng)用。20表面工程有關(guān)的表面性能分

類(lèi)

項(xiàng)

目一般機(jī)械性能韌性、強(qiáng)度、塑性、抗疲勞性、硬度、疏松度（空隙度）、殘余應(yīng)力可加工性精密加工性、可修補(bǔ)性、可焊接性、冷作硬化性抗磨性抗磨料磨損性、抗粘著磨損性、抗腐蝕磨損性、抗沖蝕磨損性、抗微動(dòng)磨損性、潤(rùn)滑性保護(hù)性防銹性、耐各種水質(zhì)腐蝕性、耐候性、耐藥品性、抗酸堿鹽腐蝕性、防污染性熱特性熱障性、導(dǎo)熱性、高溫氧化性、高溫軟化性、高溫蠕變性、抗熱沖擊性電特性導(dǎo)電性、絕緣性、電阻特性、半導(dǎo)體特性電磁性磁化性、電磁屏蔽性光特性反光性、選擇吸收性、消光性裝飾性著色性、染色性、光澤性、可修飾性21使用表面技術(shù)的目的和途徑

目的:

(1)提高材料抵御環(huán)境作用能力。

(2)賦予材料表面某種功能特性,包括光、電、磁、熱和化學(xué)性能。

(3)實(shí)施特定的表面加工來(lái)制造構(gòu)件、零部件和元器件等。

途徑：

(1)施加各種覆蓋層。

(2)采用各種表面改性技術(shù)。第一節(jié)表面技術(shù)的涵義22第二節(jié)表面技術(shù)的分類(lèi)從不同的角度進(jìn)行歸納分類(lèi)，可有若干種分類(lèi)方法按照工藝特點(diǎn)分類(lèi)：13類(lèi)：電鍍、化學(xué)鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂裝、表面彩色、氣相沉積、“三束”改性以及表面熱處理、形變強(qiáng)化和襯里。按照學(xué)科特點(diǎn)分類(lèi)：

(1)表面合金化技術(shù)：包括噴焊、堆焊、離子注入、激光溶敷、熱滲鍍等；

(2)表面覆層與覆膜技術(shù)：包括熱噴涂、電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、化學(xué)鍍、氣相沉積、涂裝、堆焊、金屬染色、熱浸鍍等；

(3)表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù)：包括激光、電子束熱處理技術(shù)以及噴丸、輥壓等表面加工硬化技術(shù)。23從材料科學(xué)的角度，按沉積物的尺寸進(jìn)行分類(lèi)：(1)原子沉積：沉積物以原子、離子、分子和粒子集團(tuán)等原子尺度的粒子形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層。(2)顆粒沉積：沉積物以宏觀尺度的顆粒形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層。(3)整體覆蓋：它是將涂覆材料于同一時(shí)間施加于材料表面。(4)表面改性：用各種物理、化學(xué)等方法處理表面，使之組成、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變性能。第二節(jié)表面技術(shù)的分類(lèi)24電鍍化學(xué)鍍熱滲鍍(熱浸鍍)熱噴涂堆焊化學(xué)轉(zhuǎn)化膜涂裝表面彩色氣相沉積“三束”改性表面熱處理形變強(qiáng)化襯里第二節(jié)表面技術(shù)的分類(lèi)25第二節(jié)表面技術(shù)的分類(lèi)26表面技術(shù)的發(fā)展：“三束”技術(shù)的應(yīng)用：1960年激光器問(wèn)世，1974年GM用于表面相變；1970’s電子束進(jìn)入表面改性；1970’s離子注入用于半導(dǎo)體精細(xì)摻雜氣相沉積：等離子體的引入，1964年出現(xiàn)離子鍍，1973年射頻離子鍍，隨后多弧離子鍍，1979年IBAD，其后磁控濺射；PECVD使溫度降低到500～800℃，微波、激光和金屬有機(jī)物CVD化學(xué)和電化學(xué)沉積：電刷鍍、化學(xué)鍍、復(fù)合鍍熱噴涂：塑料噴涂、低壓等離子噴涂、爆炸噴涂、超音速連續(xù)噴涂、冷噴涂化學(xué)轉(zhuǎn)化膜：電解氧化著色、微弧等離子體陽(yáng)極化第二節(jié)表面技術(shù)的分類(lèi)27廣泛性和重要性：廣泛性：可用于耐蝕、耐磨、修復(fù)、強(qiáng)化等，也可是光、電、磁、聲、熱、化學(xué)、生物、裝飾等方面重要性：(1)加強(qiáng)材料表面保護(hù)。(2)產(chǎn)品可靠性、穩(wěn)定性的要求。(3)節(jié)約材料和多性能的要求。(4)生產(chǎn)各種新材料和新器件。第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用28第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用29第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用裝飾鍍層30第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用裝飾鍍層31第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用摩擦學(xué)鍍層32Dymon-iCTM

（Diamondlikecarbon)Formingtoolsforintegratedcircuitconnectorpins(Anti-stickingofsoftcounterfaceandwearresistance)Tapsforaerospacealuminiumcopperalloy(Anti-stickingofsoftcounterfaceandwearresistance)CDstamperblocks(Wearresistance)Anti-reflectivetouchscreens (Opticaltransparency)第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用集成電路插腳航天33Graphit-iCTM

（Graphitelikecarbon)MedicalApplications-StentsGraphit-iCTMandDymon-iCTMshowgoodpatibilityincomparisontouncoatedstainlesssteelIn-vitrotestshaveshownreducedinflammatoryresponseresponseandreducedsmoothmusclecellproliferation.In-vivotestsofcoatedstentsarecurrentlyunderway.Artists’simpressionofastentinanarteryStentsaretinymeshcylindersthatareinsertedintoarteriestopreventarterialnarrowing第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用動(dòng)脈34第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用玻璃幕墻35第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用磁記錄材料IBM于1957年推出的第一款硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器RAMAC的容量只有5MB，卻有50個(gè)直徑為24英寸的盤(pán)片組成，磁記錄密度只有幾十kb/英寸2左右?，F(xiàn)在的盤(pán)片直徑只有3.5英寸，單碟容量已經(jīng)達(dá)到了2TB，磁記錄密度在625Gb/英寸2以上，記錄密度增長(zhǎng)了數(shù)億倍。巨磁阻（GiantMagnetoResistive，2007諾貝爾物理獎(jiǎng)）：磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。上下兩層為鐵磁材料，中間夾層是非鐵磁材料。磁盤(pán)垂直寫(xiě)入（perpendicularrecording）36第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用表面修復(fù)（再制造）37第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用人工合成金剛石——1400℃，5－10萬(wàn)大氣壓

氣相沉積類(lèi)金剛石薄膜：x102℃，10-1-102Pa

38

1989年Liu和Cohen根據(jù)β-Si3N4的晶體結(jié)構(gòu)，用C替換Si，在局域態(tài)密度近似(LDA)下采用第一性贗勢(shì)能帶法，從理論上預(yù)言了硬度可以和金剛石相當(dāng)而自然界中尚未發(fā)現(xiàn)的新化合物β-C3N4

。1996年,Teter和Hemley采用共軛梯度法進(jìn)行了計(jì)算,認(rèn)為C3N4可能具有5種結(jié)構(gòu),即α相,β相,立方相、準(zhǔn)立方相以及類(lèi)石墨相。除了類(lèi)石墨相外的4種結(jié)構(gòu)的硬度都可以與金剛石相比擬。至今用各種理論方法預(yù)言了各種不同化學(xué)配比和各種結(jié)構(gòu)的碳氮化合物。理論預(yù)言表明這種離子性較小、共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)較短的共價(jià)化合物應(yīng)該是一種超硬材料。雖然理論研究和實(shí)驗(yàn)合成已有很大進(jìn)展,但多數(shù)情況下所得的氮化碳材料均為非晶態(tài)的,也有少量的晶態(tài)氮化碳嵌入在非晶態(tài)氮化碳基體中。而能夠準(zhǔn)確確定晶體結(jié)構(gòu)的氮化碳還沒(méi)有出現(xiàn)在文獻(xiàn)中。第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用人工合成C3N4膜

39第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用人工合成C3N4膜

醫(yī)用金屬臨床應(yīng)用廣泛醫(yī)用金屬材料廣泛用于血管支架、人工關(guān)節(jié)、種植牙、經(jīng)皮假肢等器件，使用量大，應(yīng)用面廣，在承載部位使用具有不可替代性。種植牙人工關(guān)節(jié)血管支架經(jīng)皮假肢問(wèn)題1:心血管支架的血栓和組織增生問(wèn)題。骨折金屬植入器械的臨床問(wèn)題藥物洗脫支架負(fù)載的藥物涂層不具有生物功能選擇性（抑制平滑肌細(xì)胞生長(zhǎng)，也抑制內(nèi)皮細(xì)胞增殖），聚合物載體可能激活炎性反應(yīng)使血管內(nèi)皮化延遲或不完整，無(wú)法徹底解決內(nèi)膜增生和血栓問(wèn)題。藥物洗脫支架內(nèi)皮化不完整形成血栓血管壁再狹窄問(wèn)題2:醫(yī)用金屬骨整合能力差；

生物活性涂層與金屬基體結(jié)合差。金屬骨植入器械表界面缺乏生物活性，易形成纖維性包裹層，不能與周?chē)墙M織形成牢固骨整合，活性涂層可改善骨整合性能，但目前臨床使用的活性涂層結(jié)合強(qiáng)度較差，易脫落。金屬植入器械的臨床問(wèn)題結(jié)合強(qiáng)度差上皮細(xì)胞與種植體之間結(jié)合差，周?chē)Y(jié)締組織中膠原纖維取向平行于種植體表面，不能形成良好生物密封，易引起感染。問(wèn)題3:經(jīng)皮植入體軟組織密封差。牙種植體經(jīng)皮假肢金屬植入器械的臨床問(wèn)題牙釉質(zhì)種植體上皮下行經(jīng)皮種植體-經(jīng)皮假肢、種植牙竇袋形成及上皮下行、感染(15-20%)、撕裂、骨吸收。。。種植體材料與皮膚之間快速形成密封，經(jīng)皮密封皮下組織（結(jié)締組織、肌肉）之間實(shí)現(xiàn)牢固固定（機(jī)械嵌合+生物結(jié)合）種植體的失效（臨床問(wèn)題）：?jiǎn)栴}4:植入器械感染問(wèn)題植入體感染率髖關(guān)節(jié)置換修復(fù)0.23-2.23%膝關(guān)節(jié)置換修復(fù)0.4-5%肩關(guān)節(jié)置換修復(fù)0.04-4.4%脊椎校正2.0-2.76%骨折固定骨板1-30%牙缺損修復(fù)5-10%金屬植入器械的臨床問(wèn)題細(xì)菌粘附形成菌膜植入器械表面細(xì)菌污染各種植入器械均存在感染風(fēng)險(xiǎn)，然而目前抗菌表面不具生物功能選擇性，不能“區(qū)別對(duì)待”細(xì)菌和細(xì)胞，在抗菌的同時(shí)也具有細(xì)胞毒性，影響植入效果。植入器械46什么是表面科學(xué)現(xiàn)代表面技術(shù)的理論基礎(chǔ)。是一門(mén)以多相物系為對(duì)象，從原子或分子尺度上探討各種表面和兩相之間界面的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與吸附質(zhì)的變化過(guò)程，研究界面性質(zhì)隨物質(zhì)本性而變化之規(guī)律的學(xué)科。表面科學(xué)的內(nèi)容：

包括表面物理、表面化學(xué)、表面分析技術(shù)三部分內(nèi)容。第四節(jié)表面科學(xué)47Surfacescience,FromWikipediaSurfacescience

isthestudyof

physical

and

chemical

phenomenathatoccuratthe

interface

oftwo

phases,including

solid-liquidinterfaces,solid-gasinterfaces,solid–vacuum

interfaces,and

liquid-gas

interfaces.Itincludesthefieldsof

surfacechemistry

and

surfacephysics.

Somerelatedpracticalapplicationsareclassedas

surfaceengineering.Thesciencepassesconceptssuchas

heterogeneouscatalysis(多相催化),semi-conductordevicefabrication,

fuelcells,self-assembledmonolayers,and

adhesives(粘合劑).Surfacescienceiscloselyrelatedto

interfaceandcolloid(膠體).science.

Interfacialchemistryandphysicsarecommonsubjectsforboth.Themethodsaredifferent.Inaddition,interfaceandcolloidsciencestudies

macroscopic

phenomena

thatoccurinheterogeneoussystemsduetopeculiaritiesofinterfaces.48Surfacephysics（表面物理）

Surfacephysicscanberoughlydefinedasthestudyofphysicalchangesthatoccuratinterfaces.Itoverlapswithsurfacechemistry.Someofthethingsinvestigatedbysurfacephysicsinclude:surfacestates,

surfacediffusion,

surfacereconstruction（表面重建）,

surface

phonons

and

plasmons(聲子和等離子體激元),

epitaxy(外延)

and

surfaceenhancedRamanscattering（拉曼散射）,theemissionand

tunneling

ofelectrons(電子發(fā)射和隧道效應(yīng))

,spintronics(aneologismmeaning"spintransportelectronics”自旋電子學(xué)),andtheself-assemblyof

nanostructures

onsurface.49Surfacechemistry（表面化學(xué)）

Surfacechemistrycanberoughlydefinedasthestudyofchemicalreactionsatinterfaces.Itiscloselyrelatedtosurfaceengineering,whichaimsatmodifyingthechemicalcompositionofasurfacebyincorporationofselectedelementsorfunctionalgroups(官能團(tuán))thatproducevariousdesiredeffectsorimprovementsinthepropertiesofthesurfaceorinterface.Surfacechemistryalsooverlapswithelectrochemistry(電化學(xué)).Surfacescienceisofparticularimportancetothefieldofheterogeneouscatalysis.Theadhesionofgasorliquidmoleculestothesurfaceisknownasadsorption.Thiscanbeduetoeitherchemisorptionorbyphysisorption（化學(xué)、物理吸附）.Thesetooareincludedinsurfacechemistry.Thebehaviorofasolutionbasedinterfaceisaffectedbythesurfacecharge,dipoles(偶極子),energies,andtheirdistributionwithintheelectricaldoublelayer.50 Surfaceanalysistechniques（表面分析）Thestudyandanalysisofsurfacesinvolvesbothphysicalandchemicalanalysistechniques.Severalmodernmethodsprobethetopmost1–10nmoftheofsurfacesexposedtovacuum.TheseincludeX-rayphotoelectronspectroscopy,Augerelectronspectroscopy,low-energyelectrondiffraction,electronenergylossspectroscopy（電子能量損失譜）,thermaldesorptionspectroscopy(熱脫附譜),ionscatteringspectroscopy,secondaryionmassspectrometry,andothersurfaceanalysismethodsincludedinthelistofmaterialsanalysismethods.Manyofthesetechniquesrequirevacuumastheyrelyonthedetectionofelectronsorionsemittedfromthesurfaceunderstudy.Purelyopticaltechniquescanbeusedtostudyinterfacesunderawidevarietyofconditions.Reflection-absorptioninfrared,surfaceenhancedRaman,andsumfrequencygenerationspectroscopies(總頻率生成譜)canbeusedtoprobesolid-vacuumaswellassolid-gas,solid-liquid,andliquid-gassurfaces.Modernphysicalanalysismethodsincludescanning-tunnelingmicroscopy(STM)andafamilyofmethodsdescendedfromit.Thesemicroscopieshaveconsiderablyincreasedtheabilityanddesireofsurfacescientiststomeasurethephysicalstructureofmanysurfaces.Thisincreaseisrelatedtoamoregeneralinterestinnanotechnology.51表面科學(xué)研究表面以及與表面有關(guān)的過(guò)程，包括宏觀的與微觀的過(guò)程。幾十年來(lái)，表面科學(xué)從原子水平來(lái)認(rèn)識(shí)和說(shuō)明表面粒子的化學(xué)、幾何排列、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及電子態(tài)等性質(zhì)及其與表面宏觀性質(zhì)的聯(lián)系，推動(dòng)了基礎(chǔ)研究和新技術(shù)的發(fā)展。例如，大規(guī)模集成電路是由厚度小于1微米的半導(dǎo)體、金屬膜和絕緣體所組成，具有很復(fù)雜的圖案和結(jié)構(gòu)，并要求很高的純度和摻入確定數(shù)量的雜質(zhì)。由于表面科學(xué)提供了測(cè)定表面原子成份和排列的技術(shù)，使用“分子束外延”法(MBE)創(chuàng)造若干原子層厚的半導(dǎo)體，精度在1-2原子層，制成高質(zhì)量的微波器件和集成光學(xué)器件。52表面科學(xué)需要解答的一些問(wèn)題：什么是表面區(qū)?表面在哪里?表面相有多深?表面是“真正的”還是“清潔的”?研究各種表面需要什么樣的真空度和/或熱環(huán)境?表面的化學(xué)成份如何?表面上吸附了多少氣體?吸附的速度有多快?吸附粒子和表面之間有什么反應(yīng)?它和表面成份和結(jié)構(gòu)又有什么關(guān)系?是什么力量引起吸附?吸附位置是怎樣分布的?表面平衡時(shí)的形貌是什么樣的?

53表界面科學(xué)發(fā)展史1875～1878，Gibbs定律，描述固-氣和固-液界面吸附關(guān)系；1913～1942，Langmuir的貢獻(xiàn)(吸附)；（獲1932年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）20世紀(jì)30年代(概念和理論)：表面電子態(tài)(Tamm,Shockley等)、物理吸附和化學(xué)吸附(Lennard-Jones等)、金屬/半導(dǎo)體界面理論(Bardeen,Schottky,Mott等)20世紀(jì)40年代前，表面化學(xué)成果大量應(yīng)用生產(chǎn)(多相催化劑）；20世紀(jì)50年代，微型化、IT發(fā)展促進(jìn)表面化學(xué)發(fā)展；20世紀(jì)60年代～，表面現(xiàn)象向微觀領(lǐng)域發(fā)展。2007年，格哈德·埃特爾(GerhardErtl)獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，“固體表面化學(xué)過(guò)程的研究”（合成氨催化）。54技術(shù)發(fā)展(1960年—1990年)1960年代：分子束外延(MBE)1974年：光電子能譜(PES)1974年：俄歇電子能譜(AES)1970年代：超高真空技術(shù)的成熟：法蘭－銅墊圈－不銹鋼系統(tǒng)代替玻璃系統(tǒng)。渦輪分子泵、濺射離子泵的出現(xiàn)，超高真空（10-10Torr）成為可能。1980年代：高分辨電子能量損失譜(HREELS)1981年：掃描隧道顯微鏡(STM)——?jiǎng)潟r(shí)代的表面技術(shù)1984年：原子力顯微鏡(AFM)1990年代：高速數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明和發(fā)展技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了表面科學(xué)研究的飛躍發(fā)展55當(dāng)代表面科學(xué)：爆發(fā)（1990年－）?“大”“小”

表面科學(xué)納米科學(xué)?“宏觀”“微觀”（實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論模擬）

單原子/單分子層面的物理和技術(shù)成為主流?“簡(jiǎn)單”“復(fù)雜”

從簡(jiǎn)單金屬、半導(dǎo)體到新型復(fù)雜材料的表面性質(zhì)研究?“單一”“多重”

振動(dòng)/電子/自旋/光學(xué)/化學(xué)識(shí)別多種自由度的結(jié)合，催生了豐富的納米/表面現(xiàn)象和物理56材料表面科學(xué)的形成與發(fā)展在20世紀(jì)20年代，Langmuir通過(guò)對(duì)氣體和固體表面相互作用的深入研究，提出了一些至今仍為廣大表面科學(xué)家普遍采納的基本概念和思想。他的主要貢獻(xiàn)包括：首先提出原子清潔表面概念，并由此提出單層化學(xué)吸附、吸附位置、粘著幾率、吸附等溫線；提出表面非均勻特性；提出化學(xué)吸附物種之間相互作用的催化機(jī)