固体表面特征PPT课件

（平面）
晶面2
（立面）
晶面3
பைடு நூலகம்（连接面）
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（4）晶体表面偏聚
• 表面偏聚指合金表面成分不同于整体平均成分的 现象，一般多指溶质原子在表面的富集现象；
• 表面偏聚可分为平衡偏聚和非平衡偏聚； • 平衡偏聚时，系统温度和化学位不变，可用平衡
热力学描述，其成分扩展范围只有几个原子层； • 非平衡偏聚时，系统中各种参数发生改变，需进
a 空位
b 间隙原子 点缺陷
c 置换原子
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（2）线缺陷
• 晶体中的线缺陷通常指位错，分为刃型和螺型； • 位错线是一条直径为几个原子间距，但长度为几
千至几万个原子间距的原子畸变结构。
刃型位错示意图
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（3）面缺陷
• 晶体的面缺陷指沿二维方向伸展，而在另一维方 向上尺寸相对较小；
• 晶界或界面就是一种二维的面缺陷，为一个至几 个原子层厚。
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（1）表面弛豫
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（2）表面重构
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（3）表面台阶
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1.1.3 实际表面结构
• 一般情况下，实际表面存在各种不完整性和不均 匀性，如台阶，弯折，位错露头，空位等。
按照几何特征，晶体缺陷分为：
（1）点缺陷 （2）线缺陷 （3）面缺陷
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（1）点缺陷
• 点缺陷包括空位，间隙原子和置换原子； • 空位又包括肖脱基空位和弗兰克尔空位。
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• 1878年，表面热力学的奠基人吉布斯（Gibbs）提出了表面相厚度 为零的吉布斯界面模型，他还导出了著名的吉布斯吸附等温式。
• 1893年，范德华开始应用统计力学研究表面化学，开启了用统计力 学研究界面现象的前奏。
• 1913-1942年期间，美国科学家郎格缪（Langmuir）对蒸发、凝聚、 吸附、单分子膜等表面现象的研究尤为突出。为此他于1932年荣获 诺贝尔奖，并被誉为表面化学的先驱者、新领域的开拓者。
表面 内部
表面
理想表面结构示意图
➢二维点阵结构在表面上的 原子依然具有和晶体内部 相一致的周期性排列，
➢同时也忽略了由于原子键 合在表面的中断而形成表 面能等影响。
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1.1.2 清洁表面结构
• 清洁表面 • 指不存在吸附、催化反应或杂质扩散等作用的，
无任何污染的表面。 • 它通常具有以下三个主要特征： （1）表面弛豫 （2）表面重构 （3）表面台阶
第一章 固体的表面特性
➢1.1 固体表面结构 ➢1.2 固体的表面吸附 ➢1.3 固体表面的物理力学特征 ➢1.4 固体表面成分与结构分析方法
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第一章 固体的表面特性
自然界的物质以固、液、气三种形式存在； 通常把两种不同形态物质的交界面称为界面； 界面又分为表面、晶界、相界； 物质的这三种状态之间可以形成5种界面：
发生了改变，将会出现以下结果：
（1）表面结构发生调整 和改变，使结晶学性质及 表面能发生了变化； （2）表面原子与环境发 生相互作用，产生物理化 学吸附或化学反应。
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• 1936年，有人提出把金属表面的构成分成内表 面层和外表面层。
• 金属表面实际构成示意图如下：
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1.1.1 理想晶体表面
• 理想晶体表面是一种理论上结构完整的二维点阵 结构平面。
• 1806年，拉普拉斯（P.S.Laplace）导出了弯曲液面两边附加压力 与表面张力和曲率半径的关系。可用该公式解释毛细管现象。
• 1859年，开尔文（Kelvin）将表面扩展时伴随的热效应与表面张力 随温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸汽压随表面曲率变化的 方程即著名的开尔文方程。
• 1869年达普里（A.Dapre）研究了润湿和粘附现象，将粘附功与表 面张力联系起来。
• 2007年，德国科学家Gerhard Ertl因“固-气界面基本分子的过程 的研究”获得诺贝尔化学奖。
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1.1 固体表面结构
• 这里我们只讨论晶态物质的固体表面结构。 • 固体表面指固体靠近气体或液体的一个或几个原
子（0.5-10nm）组成的表面层。 • 由于固体物质内部原子的周期性排列在固体表面
行动力学分析，其成分不均匀性可扩展至距表面 几十或几百个原子层处。
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（5）实际表面特点
我们通常接触到的实际表面有以下重要特点：
• 表面粗糙度：经切削、研磨、抛光的固体表面似乎很平整，然而用 电子显微镜进行观察，可以看到表面有明显的起伏，同时还可能有 裂缝、孔洞等。
• 拜尔贝（Beilby）层 ：固体材料经切削加工后，在几个微米或者 十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，使得在表面约 10nm的深度内，形成一种非晶态薄层。
• 1950年以后，随着电子及航天科技的发展，新的表面测试技术应运 而生，如低能电子衍射、俄歇电子能谱等不断出现，超高真空设备 不断完善，可制备足够清洁的表面及复制表面。表面科学进入从微 观水平上研究表面现象的阶段，成为了一门独立的学科。
• 目前，科学家可在优于10-7Pa的超高真空下，从分子或原子水平上 研究表面现象。不少科学家致力于催化剂和多相催化过程、有关表 面的组成、结构和吸附态对表面反应的影响及表面机理的研究，从 而寻找有实用价值的高效催化剂。
• 表面存在大量的活性晶格点：由于加工表面的局部扭曲变形引起， 这种表面常常比电解抛光或低温退火预处理后的表面更活泼。
• 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。
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金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图
➢由于界面原子和内部 原子的结构偏差，使表 界面具有很多与晶体内 部不同的性质，如界面 吸附，界面腐蚀等。
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• 晶体面缺陷的存在，使得原本任意取向的表面， 为使表面能最小，而形成一些密排面为表面的小 平台或台阶。
• 使宏观上为高指数的表面转变为低指数的平台或 台阶（高指数面的晶面间距更小）。
晶面1
固-固、固-液、固-气、液-液、液-气 ； 固体表面通常指固-气界面和固-液界面。
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自然界中的表面现象
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表面现象研究发展史
➢历史上对表面现象的研究是从力学开始的，早在十九世 纪初就形成了表面张力的概念。
• 1805年，托马斯·杨（T.Young）最早提出表面张力概念，并将表 面张力概念推广应用于有固体的体系，导出了联系气-液、固-液、 固-气表面张力与接触角关系的杨氏方程。