材料表面与界面研究生课件.pptx

1、第一部分第一部分 材料表面与界面的结构材料表面与界面的结构1.1 固体的表面固体的表面一、理想表面一、理想表面d内部内部表面表面理想表面示意图理想表面示意图理论上结构完整的二维点阵平面。理论上结构完整的二维点阵平面。理论前提：理论前提：1、不考虑晶体内部周期性不考虑晶体内部周期性势场势场在晶体表面在晶体表面中断的影响；中断的影响；2、不考虑表面原子的、不考虑表面原子的热运动热运动、热扩散热扩散、热热缺陷缺陷等；等；3、不考虑、不考虑外界外界对表面的物理对表面的物理-化学作用等；化学作用等；4、认为体内原子的位置与结构是无限周期、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

2、无限性的，则表面原子的位置与结构是半无限的，与体内完全一样。的，与体内完全一样。第第1页页/共共56页页二、清洁表面二、清洁表面不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理-化学效应的表面。化学效应的表面。1、台阶表面台阶表面 - 表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。（表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）晶面1（平面）晶面3 （连接面）晶面2 （立面）清洁表面可分为三种清洁表面可分为三种： 台阶表面、弛豫表面台阶表面、弛豫表面 、重构表面、重构表面 第第2页页/共共56页页2、弛豫表面弛豫表面 -

3、指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。相比有所膨胀和压缩的现象。可能涉及几个原子层。可能涉及几个原子层。ds内部内部表面表面d0第第3页页/共共56页页3、重构表面重构表面 - 指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，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但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。与体内相同。d0内部内部表面表面d0第第4页页/共共56页页三、吸附表面三、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在清洁表面上有来自体内

4、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。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吸附表面可分为四种吸附位置：顶吸附、桥吸附顶吸附、桥吸附 、填充吸附、中心吸附、填充吸附、中心吸附 顶吸附顶吸附桥吸附桥吸附填充吸附填充吸附中心吸附中心吸附俯视图俯视图剖面图剖面图第第5页页/共共56页页四、表面自由能四、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；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，若同样，在一定温度和压力下，并保持平衡条件，若增加表面能，

5、系统也必须作功。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：对所有单组分的系统，表面总的自由能改变为：dAVdpSdTdGG-表面自由能； S-熵； T-温度V-体积； p-压力； -表面张力； A-表面积第第6页页/共共56页页五、表面偏析五、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。与体内不同。将偏析与表面张力联系起来：将偏析与表面张力联系起来：(1) 若若 2 1, 表面张力较小的组分将在表面上偏析表面张力较小的组分将在表面上偏析(富集富集);(2) 若若 2= 1, 不存在表面偏析。不

6、存在表面偏析。第第7页页/共共56页页1.2 表面二维结构表面二维结构平面平面 二维二维 格点阵列格点阵列 二维格子示意图二维格子示意图格点格点 格点可以是一个原子（即格点可以是一个原子（即Bravais布喇菲布喇菲格子）；格子）； 格点也可以是原子团；格点也可以是原子团；二维格子中任意格点的位矢：二维格子中任意格点的位矢：bmanTab、为二维格子的基矢。为二维格子的基矢。也是原胞的两条边。也是原胞的两条边。第第8页页/共共56页页 二维格子的数目是有限的，实际上只有二维格子的数目是有限的，实际上只有5种种Bravais格子，即格子，即斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下：斜形、

7、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下：名名 称称格子符号格子符号基矢关系基矢关系晶晶 系系斜形斜形方形方形六角形六角形矩形矩形中心矩形中心矩形PPPPCa b， 90，任任意意a=b， =90a=b， =120a b， =90a b， =90斜形斜形正方正方六角六角矩形矩形矩形矩形二维二维Miller指数指数Miller指数指数标记二维晶格中平行晶列的各种取向。如（hk） 注意与晶面指数晶面指数的区别。？第第9页页/共共56页页表面结构命名法表面结构命名法Wood命名法22 矩阵命名法自学第第10页页/共共56页页1.3 常见的表面结构常见的表面结构一、金属表面结构一、金属表面结构 目前

8、已确定有目前已确定有100多种表面结构。以下主要介绍多种表面结构。以下主要介绍金属表面结金属表面结构、半导体表面结构、氧化物表面结构构、半导体表面结构、氧化物表面结构以及以及薄膜表面结构薄膜表面结构。 清洁的金属表面，低能电子衍射（清洁的金属表面，低能电子衍射（LEED）研究表明具有研究表明具有如下特点：如下特点：1、其、其Miller指数面的表面单胞指数面的表面单胞多为（多为（1 1）结构）结构；2、表面、表面单胞单胞与体内单胞在表面的与体内单胞在表面的投影相等投影相等；3、表面、表面键长键长与体内键长与体内键长相近相近；第第11页页/共共56页页4、垂直于表面的最上层与第二层的、垂直于表面

9、的最上层与第二层的间距间距接近于体内的值，接近于体内的值，变动变动 小于小于5%。一些（较少）非紧密堆积的晶面，约有。一些（较少）非紧密堆积的晶面，约有5% - 15%的的 缩短；缩短；5、非紧密堆积的原子非紧密堆积的原子比紧密堆积的原子更比紧密堆积的原子更趋向于松弛趋向于松弛；6、有些晶面上、有些晶面上吸附原子后吸附原子后，表面和体内的，表面和体内的键长差别减小键长差别减小甚至消甚至消 失（可能是表面断裂的键由于吸附杂质原子而获得恢复）。失（可能是表面断裂的键由于吸附杂质原子而获得恢复）。第第12页页/共共56页页二、半导体表面结构二、半导体表面结构清洁的半导体表面，具有如下特点：清洁的半导

10、体表面，具有如下特点：1、表面普遍发生、表面普遍发生重构现象重构现象；2、半导体表面结构具有各自稳定性的温度范围，温度太、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；高或太低，表面会从一种结构转变为另一种结构；实例实例1：Si（111）面附近劈裂面在不同温度下实时转变状态的面附近劈裂面在不同温度下实时转变状态的 STM图像；图像；.实例实例2：GaAs在（在（100）、（）、（111）、（）、（111）极性表面极性表面有大量重有大量重 构发生，在（构发生，在（110）非极性表面非极性表面未发现重构现象。未发现重构现象。第第13页页/共共56页页三、

11、氧化物表面结构三、氧化物表面结构 对于氧化物表面，一般都出现对于氧化物表面，一般都出现重构现象重构现象，主要原因是非化学，主要原因是非化学计量的诱导和氧化态变化造成的。计量的诱导和氧化态变化造成的。实例实例：氧化态：氧化态TiO2，表面吸氧或脱氧，变成表面吸氧或脱氧，变成 Ti2O3、 TiO等等 .第第14页页/共共56页页四、薄膜表面结构四、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，

12、受到如下因素的影响：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；、薄膜制备过程中的各种条件；2、基底材料种类与晶面；、基底材料种类与晶面；3、薄膜与基底之间的界面。、薄膜与基底之间的界面。所以，薄膜表面结构非常复杂。所以，薄膜表面结构非常复杂。实例实例：从金属薄膜的电子衍射花样（薄膜厚度不同可以有弥散：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）、环、择优取向清锐环以及无择优取向清锐环等）、STM图像或图像或AFM图像等可说明。图像等可说明。第第15页页/共共56页页1.4 固体的界面固体的界面界面：两相之间的接触面。如

13、相界面、内界面、晶界等。界面类型界面类型从晶体学角度：从晶体学角度：平移界面平移界面孪晶界面孪晶界面反演界面反演界面从实用角度：从实用角度：气固界面气固界面半导体界面半导体界面薄膜界面薄膜界面超晶格界面超晶格界面一、界面类型一、界面类型第第16页页/共共56页页1、平移界面、平移界面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移矢量 。其间的界面称为平移界面。其间的界面称为平移界面。RA.P.BRSFA.P.B - 等于点阵矢量，称反相界面；SF - 不等于点阵矢量，称层错。RR第第17页页/共共56页页2、孪晶界面、孪

14、晶界面3、混合界面、混合界面孪晶界面又称取向界面。孪晶界面又称取向界面。孪晶界面与平移界面混合后的界面。孪晶界面与平移界面混合后的界面。第第18页页/共共56页页4、反演界面、反演界面 当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，由反演操当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着。反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着。I B左侧左侧右侧右侧第第19页页/共共56页页二、界面的微观结构二、界面的微观结构 指晶粒间界的结构，是在晶体结晶过程中形成的，存在于指晶粒间界的

15、结构，是在晶体结晶过程中形成的，存在于多晶材料中。晶界区的晶粒表面原子，由于受到相邻晶粒势场多晶材料中。晶界区的晶粒表面原子，由于受到相邻晶粒势场的作用，这些原子将在晶界区重新排列并达到平衡状态。的作用，这些原子将在晶界区重新排列并达到平衡状态。晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶界晶界晶界原子排列示意图 据晶界结构相邻晶粒取向差别角度的大小，可分为小角晶据晶界结构相邻晶粒取向差别角度的大小，可分为小角晶界和大角晶界。界和大角晶界。第第20页页/共共56页页 1、晶界原子排列的理论模型、晶界原子排列的理论模型自学 2、小角晶界、小角晶界两个相邻晶粒取向差别角度两个相邻晶粒取向差别角度 在在0-10之间。之间

16、。 较小的较小的小角晶界可用位错排列来说明。如下图。小角晶界可用位错排列来说明。如下图。小角倾转晶界示意图P54 图第第21页页/共共56页页3、大角晶界、大角晶界 当两个相邻晶粒取向差别角度当两个相邻晶粒取向差别角度 超过超过15时为时为大角倾斜晶界大角倾斜晶界，此时晶界内位错密集，当此时晶界内位错密集，当 超过超过35时，位错覆盖整个界面。时，位错覆盖整个界面。4、共格晶界、共格晶界 界面两边相邻晶粒的原子成一一对应的相互匹配关系。界界面两边相邻晶粒的原子成一一对应的相互匹配关系。界面上的原子为相邻两个晶体所共有。面上的原子为相邻两个晶体所共有。共有原子 相邻晶粒的面间距相邻晶粒的面间距差

17、不多时，可完全共格；差不多时，可完全共格；面间距相差较大时，出面间距相差较大时，出现部分共格。现部分共格。第第22页页/共共56页页5、晶界能与晶界电势、晶界能与晶界电势晶界能晶界能：晶界处的界面能。：晶界处的界面能。晶界电势晶界电势： 小角度范围（小角度范围（ 0处,则功函数为:)() 1()(eJJlNENE)(NEJ) 1(NEJ)(e-N个电子系统在胶体中的基态能量;-在同一胶体中(N-1)个电子系统的能量;-电子处在(-)处的静电能。式中:三个参数的表达式的求法：了解第第54页页/共共56页页三、表面能三、表面能 定义：定义：在电子数保持不变的情况下，建立一个表面所需要的能量。 其表达式求法：其表达式求法：金属表面系统的总能量减去体内的能量。表面能包括两部分：表面能包括两部分：静电表面能+（动能、交换能及相关能）第第55页页/共共56页页3.3 几种近似方法几种近似方法3.4 表面势与功函数的计算表面势与功函数的计算自学(了解了解)第第56页页/共共56页页