1、材料表面与界面材料表面与界面材料科学与工程学系了了!_绪论绪论一、本课程建立背景一、本课程建立背景（1）材料科学与工程专业材料科学与工程专业所关心的对象所关心的对象材料组成材料组成制备制备结构结构（原子排列范畴，晶粒排列范畴（原子排列范畴，晶粒排列范畴.）相互间的关系（声、光、电、磁、热等声、光、电、磁、热等）;_绪论绪论(2)前期课程前期课程理论基础课程：理论基础课程：大学物理，无机及分析化学，物理化学大学物理，无机及分析化学，物理化学物理物理n n 微观上微观上原子或电子运动规律。原子或电子运动规律。宏观上宏观上力力、电、磁、热等变化规律。、电、磁、热等变化规律。化学化学n n微观上微观上
2、原子或分子尺度讨论物质变化规律。原子或分子尺度讨论物质变化规律。宏观宏观上上从热、浓度、酸碱度等方面讨论物质从热、浓度、酸碱度等方面讨论物质 变化规律；热变化规律；热力学和动力学。力学和动力学。_绪论绪论r材料科学基础材料科学基础材料科学基础、材料性能材料科学基础、材料性能*材料结构特性材料结构特性（材料种类本质上的区别材料种类本质上的区别）*物质物质（单晶单晶）内原子和电子运动规律特征；内原子和电子运动规律特征；*材料热力学材料热力学（相图相图）和动力学和动力学（扩散、烧扩散、烧结结）；*材料形成材料形成（单晶、多晶单晶、多晶（金属、陶瓷金属、陶瓷）、非晶非晶）上述课程上述课程（包括包括）主
3、要与主要与块块（或体或体）材料有关。材料有关。绪论绪论瀑瀑材料组成、结构与应用的关系材料组成、结构与应用的关系玻璃为什么透明玻璃为什么透明料为，料为，芸釆用金属材料芸釆用金属材料?为什么要为什么要玻璃为什么不能玻璃为什么不能 作为支撑材料？作为支撑材料？/V x X，不同不同化学组成化学组成的材料具有不同的特性，应用于不同的领域的材料具有不同的特性，应用于不同的领域绪论绪论 SiO2单晶单晶（石英石英）具有压电性具有压电性SiO2（石英）（石英）玻璃玻璃具有良好的透光性和热稳定性具有良好的透光性和热稳定性、耐高温耐高温 度器材、度器材、/尊光纤尊光纤相同的化学组成相同的化学组成,经不同经不同制
4、备制备方法方法,可可形成不同形成不同原子排列结构原子排列结构的材料，应用于不同的领域。的材料，应用于不同的领域。绪论绪论纳米铜纳米铜*材料拉伸时的行为材料拉伸时的行为:拉力拉力伸长的一般关系为伸长的一般关系为-绪论绪论J-*纳米铜在纳米铜在0 22Tm（260C C）下拉伸，原始长度下拉伸，原始长度1cmAs-deposited产200%相同的晶相（化学组成和原相同的晶相（化学组成和原 子排列结构），不同的子排列结构），不同的微观微观 结构结构（晶粒尺寸），也会使（晶粒尺寸），也会使 材料具有材料具有完全完全不同的特性。不同的特性。绪论绪论上述现象都是与体材料的上述现象都是与体材料的化学组成化
5、学组成、原子排列原子排列 有序程度有序程度、晶相种类晶相种类、微观结构微观结构等有关，通过等有关，通过 以前课程所学的知识都可以进行解释和说明。以前课程所学的知识都可以进行解释和说明。一些发生在材料的一些发生在材料的表面现象表面现象，可能很难用以，可能很难用以前前 课程所学的知识进行解释和说明。课程所学的知识进行解释和说明。如：如：绪论绪论(4)表面的作用表面的作用材料表面的去污材料表面的去污(界面效应界面效应)憎水基憎水基亲水基亲水基*洗洁剂洗洁剂油滴油滴 油油/水界面水界面 油污去除油污去除材料表面材料表面绪论绪论J-J-材料亲水性材料亲水性（表面效表面效应应）*防雾玻璃或镜子防雾玻璃或镜
6、子绪论绪论囊囊易易（自自）洁玻璃洁玻璃璃璃-玻璃玻璃TiO2薄膜薄膜雨水雨水一一灰尘灰尘绪论绪论工工作原理作原理绪论绪论绪论绪论J-J-材料的表面改性材料的表面改性（表面效应表面效应）*表面摩擦力表面摩擦力太阳能电池板太阳能电池板滑动摩擦力尽可能小滑动摩擦力尽可能小绪论绪论HU|买买EMJ J-*表面改性原理表面改性原理滑动摩擦力（滑动摩擦力（。丿=真实接触面积真实接触面积E E,）X X界面剪界面剪切切 强度强度3）要使摩擦力小，材料的要使摩擦力小，材料的4和和s s要小，即，材料表要小，即，材料表面面 要高硬度，低剪切强度。要高硬度，低剪切强度。存在矛盾：滑动摩擦力存在矛盾：滑动摩擦力1
7、1 T T材料变形能力材料变形能力仁仁结结构构 稳定性稳定性1 1表面改性途径表面改性途径：在：在高硬度高硬度材料表面与一层材料表面与一层软软金属金属 （Ag）薄膜薄膜组合组合来达到降低滑动摩擦力的目的。来达到降低滑动摩擦力的目的。绪论绪论很多材料的形成、材料和器件的性能（特性）很多材料的形成、材料和器件的性能（特性）是是通过通过/依赖依赖于材料于材料表面表面/界面界面效应发挥出的！效应发挥出的！材料表面和界面材料表面和界面的科学与工程的的科学与工程的知识知识对新材料对新材料 的研发和应用有着重要的作用！的研发和应用有着重要的作用！绪论绪论（5 5）本课程建立的目的本课程建立的目的介绍材料表面
8、和界面的物理与化学基础知识，为介绍材料表面和界面的物理与化学基础知识，为 理解材料表面和界面效应提供必要的知识。理解材料表面和界面效应提供必要的知识。与外界的响应与外界的响应作用力作用力（场场）结构结构材料的响应材料的响应 （光、光、电、热、磁等电、热、磁等）作用力作用力（场场）结构结构响应响应（光、电、热、磁等光、电、热、磁等）本课程知识有利于对薄膜材料、复合材料、材料合本课程知识有利于对薄膜材料、复合材料、材料合 成、制备有关课程内容理解和掌握，以及为将来进行成、制备有关课程内容理解和掌握，以及为将来进行 “综综合实践合实践”和和“毕业毕业论文论文”学习环节提供良好的基础。学习环节提供良好
9、的基础。绪论绪论否通过复合否通过复合:NO:20100402070050015124表面是否易于清表面是否易于清 洁？洁？昵径II卿 0Y：sunjlnlontongzhl6）教学方式教学方式绪论绪论课堂讲授课堂讲授：为主，结合二至三次的自学课，一：为主，结合二至三次的自学课，一至至 二次的讨论课二次的讨论课讲授方式讲授方式：以以“概念概念n n概念间的关联（原理）概念间的关联（原理）n n应用（概应用（概念念/原理与材料实际性能的关系）原理与材料实际性能的关系）”为主线。为主线。以以“课程课程内容在材料科学与工程专业中起的内容在材料科学与工程专业中起的 作用作用”为重点。为重点。自学自学：少
10、量讲授内容可能讲义中没有，则学生：少量讲授内容可能讲义中没有，则学生 应自找书籍加以巩固；讲义中部分内容可能不应自找书籍加以巩固；讲义中部分内容可能不 在课堂上讲授，学生通过自学掌握。在课堂上讲授，学生通过自学掌握。讨论：结合当前材料科学研究热点讨论：结合当前材料科学研究热点Il _绪绪论论-课堂作业课堂作业做做作业时，不要拘泥于唯一答案。要求对作业时，不要拘泥于唯一答案。要求对 “概概念念”和和“原原理理”有正确的认识、理解和应有正确的认识、理解和应 用。用。*准备一本练习本。准备一本练习本。提问提问：课间，电子邮件，作业上。：课间，电子邮件，作业上。;_ _绪论绪论学习要求：学习要求：*掌
11、握课程介绍的掌握课程介绍的原理原理，特点特点和和适用条件适用条件*能结合实际正确应用相应的基本原理和技术。能结合实际正确应用相应的基本原理和技术。考试考试：开卷开卷成绩成绩：平时作业和表现（平时作业和表现（50%）期末考试成绩（期末考试成绩（50%）绪论绪论I-教材教材提供的讲义主要取自表面和界面物理和提供的讲义主要取自表面和界面物理和 表面和界面物理化学。表面和界面物理化学。在讲义中较少涉及到应用例子在讲义中较少涉及到应用例子g第一章表面与第一章表面与界面的原子结构界面的原子结构材料表面材料表面cm卩mnmAIIg第一章表面与第一章表面与界面的原子结构界面的原子结构第一节清洁表面第一节清洁表
12、面在实际条件下，材料表面受到各方面因素影响，在实际条件下，材料表面受到各方面因素影响，从而使表面在结构上、组成上都可能发生改变。从而使表面在结构上、组成上都可能发生改变。为了研究材料的为了研究材料的本征本征表面特性，清洁表面才能用表面特性，清洁表面才能用 来进行研究。来进行研究。清洁表面清洁表面是是相经过相经过特殊处理特殊处理（即保证组成上的确即保证组成上的确定定 性性）后，保持在后，保持在超高真空超高真空下的表面下的表面（即保证表即保证表面不面不 随时间而改变随时间而改变）。第一节清洁表面第一节清洁表面一般清洁表面是指经一般清洁表面是指经离子轰击离子轰击加加退退火火 热处理热处理后的后的单晶
13、表面单晶表面。由于原子在体内部和在表面受到力不由于原子在体内部和在表面受到力不同，则引起同，则引起表面表面原子的排列与原子的排列与内部内部有有 较为较为明显的差别明显的差别。这种差异经过这种差异经过46层之后，原子的层之后，原子的 排列与体内已相当接近，这个排列与体内已相当接近，这个距离距离也也 可以看作是实际清洁表面的可以看作是实际清洁表面的范围范围。在在清洁表面清洁表面中的研究主要针对中的研究主要针对最表面最表面 层层原子排列。原子排列。第一节清洁表面第一节清洁表面STMSTM照片照片清洁表面观察清洁表面观察 Fe表面表面驟驟模拟照片模拟照片表面层原子排列与内层表面层原子排列与内层不同不同
14、但排列有但排列有规律的规律的放大照片放大照片第一第一节清洁表面节清洁表面1.1描述清洁表面原子排列结构的符号描述清洁表面原子排列结构的符号表面原子的排列方式虽然与体内有差别表面原子的排列方式虽然与体内有差别，但表面但表面原原 子仍作对称和周期性的排列，常看成是二维格子仍作对称和周期性的排列，常看成是二维格子。子。结晶学上的概念和规则，二维格子中都适用。但由结晶学上的概念和规则，二维格子中都适用。但由 于维数减少，相应的复杂性也减少，即于维数减少，相应的复杂性也减少，即空间群数空间群数(230 T T16)、点群点群(32T T4)和和布拉维格子布拉维格子(14 5)。第一节清洁表面第一节清洁表
15、面伍德标记法伍德标记法当体内原子的排列，即衬底晶面晶格平移对称当体内原子的排列，即衬底晶面晶格平移对称性可表示为性可表示为T=n1a1+n2a2表面晶格平移对称性表面晶格平移对称性为为Ts=niasi+n2faS2表面原子的排列是由原子内部排列转化而来表面原子的排列是由原子内部排列转化而来,因此表面原子的排列与内部有一定关联。因此表面原子的排列与内部有一定关联。般的关系为般的关系为 asi=pa1 as2=qa?第一节清洁表面第一节清洁表面如果如果asl/a1 aS2/a?，则表面晶格可表示为则表面晶格可表示为R(hkl)p X Xq D式中式中R:衬底材料的符号，衬底材料的符号，(hkl):
16、衬底平面的密勒衬底平面的密勒 指数，指数，D是表面覆盖层或沉积物质的化学符号。是表面覆盖层或沉积物质的化学符号。第一节清洁表面第一节清洁表面如如Si(100)表面原子排列表面原子排列Si(100)表面原子排列表面原子排列Si(100)2 X X 2-Si=Si(100)2 X X 2Si(100)面的原子排列面的原子排列 表表面原子排列表记为面原子排列表记为:H 第第-节清洁表面节清洁表面如果如果a 1和和a 2间的夹角同和间的夹角同和a2的夹角的夹角一一样，表样，表 面原子的排列形式转过一个角度面原子的排列形式转过一个角度a,则伍德简则伍德简 式符号的表示为式符号的表示为R(hkl)x 禺2
17、 Da1 a2如硫原子在如硫原子在Ni(001)表面吸附。表面吸附。硫硫原子排列相格子相当于衬底原子排列相格子相当于衬底Ni 格子格子转动了转动了 45伍德简式符号的表示为：伍德简式符号的表示为：Ni(001)T2 x 也45-SNi 第一节清洁表面第一节清洁表面1.2清洁表面的原子排列清洁表面的原子排列由于表面排列突然发生中断，表面原子受力由于表面排列突然发生中断，表面原子受力(化学键化学键)情况发生变化，总效应是增大体系的情况发生变化，总效应是增大体系的=自由能。自由能。为了降低体系能量为了降低体系能量(减小表减小表l=J1=面能面能)，表面附近原子的排，表面附近原子的排 列必须进行调整。
18、列必须进行调整。调整的方式有两种调整的方式有两种:(1)自行调整自行调整，表面处原子排列与内部有明显不同表面处原子排列与内部有明显不同;(2)外来因素外来因素，如吸附杂质如吸附杂质，生成新相等。生成新相等。第一节清洁表面第一节清洁表面3）鞄鞄 ft，构，构偽析5）化学吸附）化学吸附OOOOOO OOOOOOOOOOOO（。）化合物化合物OOOOOO oo ooo O OOOOOOJ-几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图O O OOOO .O OOOOO OOOOOO8 8 8 OO OOOO OO 0 0 0,0OO OOOO888888OOOOOOOO
19、OOOOooO O O O OOOO OOOOOOCf）台阶台阶在清洁表面中，主要讨论在清洁表面中，主要讨论弛豫弛豫和和重构重构材料表面与界面上节上节主要内容主要内容从静态角度来看表面：从静态角度来看表面：清洁表面清洁表面表面原子表面原子 有序排列有序排列二维格子二维格子 伍德标伍德标 记法记法从动态角度来看表面：从动态角度来看表面：清洁表面形成时，表面清洁表面形成时，表面 原子排列原子排列变化的原因变化的原因变化种类变化种类第一节清洁表面第一节清洁表面STMSTM照片照片清洁表面观察清洁表面观察 Fe表面表面驟驟模拟照片模拟照片表面层原子排列与内层表面层原子排列与内层不同不同但排列有但排列有
20、规律的规律的放大照片放大照片第一第一节清洁表面节清洁表面1.1描述清洁表面原子排列结构的符号描述清洁表面原子排列结构的符号表面原子的排列方式虽然与体内有差别表面原子的排列方式虽然与体内有差别，但表面但表面原原 子仍作对称和周期性的排列，常看成是二维格子仍作对称和周期性的排列，常看成是二维格子。子。结晶学上的概念和规则，二维格子中都适用。但由结晶学上的概念和规则，二维格子中都适用。但由 于维数减少，相应的复杂性也减少，即于维数减少，相应的复杂性也减少，即空间群数空间群数(230 T T16)、点群点群(32T T4)和和布拉维格子布拉维格子(14 5)。第一节清洁表面第一节清洁表面伍德标记法伍德
21、标记法当体内原子的排列，即衬底晶面晶格平移对称当体内原子的排列，即衬底晶面晶格平移对称性可表示为性可表示为T=n1a1+n2a2表面晶格平移对称性表面晶格平移对称性为为Ts=niasi+n2faS2表面原子的排列是由原子内部排列转化而来表面原子的排列是由原子内部排列转化而来,因此表面原子的排列与内部有一定关联。因此表面原子的排列与内部有一定关联。般的关系为般的关系为 asi=pa1 as2=qa?第一节清洁表面第一节清洁表面如果如果asl/a1 aS2/a?，则表面晶格可表示为则表面晶格可表示为R(hkl)p X Xq D式中式中R:衬底材料的符号，衬底材料的符号，(hkl):衬底平面的密勒衬
22、底平面的密勒 指数，指数，D是表面覆盖层或沉积物质的化学符号。是表面覆盖层或沉积物质的化学符号。第一节清洁表面第一节清洁表面如如Si(100)表面原子排列表面原子排列Si(100)表面原子排列表面原子排列Si(100)2 X X 2-Si=Si(100)2 X X 2Si(100)面的原子排列面的原子排列 表表面原子排列表记为面原子排列表记为:H 第第-节清洁表面节清洁表面如果如果a 1和和a 2间的夹角同和间的夹角同和a2的夹角的夹角一一样，表样，表 面原子的排列形式转过一个角度面原子的排列形式转过一个角度a,则伍德简则伍德简 式符号的表示为式符号的表示为R(hkl)x 禺2 Da1 a2如
23、硫原子在如硫原子在Ni(001)表面吸附。表面吸附。硫硫原子排列相格子相当于衬底原子排列相格子相当于衬底Ni 格子格子转动了转动了 45伍德简式符号的表示为：伍德简式符号的表示为：Ni(001)T2 x 也45-SNi 第一节清洁表面第一节清洁表面1.2清洁表面的原子排列清洁表面的原子排列由于表面排列突然发生中断，表面原子受力由于表面排列突然发生中断，表面原子受力(化学键化学键)情况发生变化，总效应是增大体系的情况发生变化，总效应是增大体系的=自由能。自由能。为了降低体系能量为了降低体系能量(减小表减小表l=J1=面能面能)，表面附近原子的排，表面附近原子的排 列必须进行调整。列必须进行调整。
24、调整的方式有两种调整的方式有两种:(1)自行调整自行调整，表面处原子排列与内部有明显不同表面处原子排列与内部有明显不同;(2)外来因素外来因素，如吸附杂质如吸附杂质，生成新相等。生成新相等。第一节清洁表面第一节清洁表面3）鞄 ft，构偽析5）化学吸附）化学吸附OOOOOO OOOOOOOOOOOO（。）化合物化合物OOOOOO oo ooo O OOOOOOJ-几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图O O OOOO .O OOOOO OOOOOO8 8 8 OO OOOO OO 0 0 0,0OO OOOO888888OOOOOOOOOOOOooO O O
25、 O OOOO OOOOOOCf）台阶台阶在清洁表面中，主要讨论在清洁表面中，主要讨论弛豫弛豫和和重构重构V-思考题思考题哪些材料的性能取决于材料的表面特性哪些材料的性能取决于材料的表面特性?第一节清洁表面第一节清洁表面弛豫弛豫表面区原子表面区原子（或离子或离子）间距间距与体内相比有与体内相比有差别差别，但但 排列的排列的宏观对称性宏观对称性和和晶胞参数晶胞参数保持保持不变不变，这种这种变变 化称化称弛豫弛豫。离子晶体离子晶体表面的离子最易釆取表面的离子最易釆取弛豫弛豫方式调整。离方式调整。离 子晶体中的作用力是库仑静电力，它是一种长程子晶体中的作用力是库仑静电力，它是一种长程 作用力，没有方
26、向性。作用力，没有方向性。一般在一般在离子晶体表面离子位置偏移的具体方式：离子晶体表面离子位置偏移的具体方式：常发生在垂直于表面方向。这样一般常发生在垂直于表面方向。这样一般不引起不引起点阵点阵 平移对称性平移对称性的的变化变化，只是在，只是在微观对称性微观对称性发生了变发生了变 化。化。第一节清洁表面第一节清洁表面*原因原因:体积大体积大Cl离离 子产生子产生极化极化例子：例子：NaCl2.A-rr J _ LF_Cl离子往离子往 靠内侧的正靠内侧的正 _ _ Na+产生产生外外部移动部移动 电性增加电性增加 排斥排斥作用作用-Na离子向离子向内内部移动部移动-时-整一调I OAIQ AY
27、AV 6O 0 o o o Oo O 0 o o O刚形成表面时表面原子调整后A600007AVLnTOTAYioib o o o o o o大约表面大约表面5层层发生有不同程度的位移发生有不同程度的位移第一节清洁表面第一节清洁表面(2)重构重构当表面原子排列作了较大幅度的调整，与衬底当表面原子排列作了较大幅度的调整，与衬底 晶面原子的平移对称性晶面原子的平移对称性(晶格常数晶格常数)有有明显不明显不 同同，这种变化称这种变化称重构重构。第一节清洁表面第一节清洁表面重构有两类情况：重构有两类情况：(a)表面晶面与体内完全不一表面晶面与体内完全不一样，称样，称超晶格超晶格或或超结构超结构。(b)
28、表面晶胞的尺寸表面晶胞的尺寸大大于于体内，即晶格常数增大。体内，即晶格常数增大。超结构示意图超结构示意图金金(110)(110)表面表面(1(1 X2)X2)重构的高分辨电子显微像重构的高分辨电子显微像第一节清洁表面第一节清洁表面键键键键键键例子：例子：Si单晶表面重构，单晶表面重构，Si（lll）2X Xl发生发生变化的过程：变化的过程：Si单晶中原子间由单晶中原子间由sp3杂化而键合杂化而键合（键角键角109。）。形成悬挂键时，会引起形成悬挂键时，会引起退杂化退杂化，未配对的电子恢，未配对的电子恢复成复成纯纯p键键（态态）或或纯纯s键键。引起剩余。引起剩余三根三根键杂化变化。键杂化变化。纯
29、纯p键：键：sp2杂化，杂化，键角键角120。，将表面，将表面 原子原子下拉下拉0.11A纯纯s键：键：p3杂化，杂化，键键 角角90。，将表面将表面原子原子 上升上升0.18 A键键键键第一节清洁表面第一节清洁表面InAs(111)的重建的重建空位型空位型调整型调整型吸附型吸附型O O O OAdsorbed AsO In As Z/2x2 unit cell第一节清洁表面第一节清洁表面W(100)表面重建表面重建(在氧的参与下在氧的参与下)STMSTM照片照片第一节清洁表面第一节清洁表面1.3清洁表面的缺陷清洁表面的缺陷从热力学上来分析，清洁表面必然存在有各种从热力学上来分析，清洁表面必然
30、存在有各种类型的类型的表面缺陷表面缺陷in第一节清洁表面第一节清洁表面在平台在平台(2)点缺陷点缺陷、宇礎三为普遍的就为普遍的就 安応安応冷沱冷沱表面上的正表面上的正|第一节清洁表面第一节清洁表面1.4表面原子结构对材表面原子结构对材 料研究和生产的影响料研究和生产的影响半导体发蓝光二极管半导体发蓝光二极管 是一个是一个薄膜器件薄膜器件。每。每 一层的材料除化学组一层的材料除化学组 成不同外，从结构上成不同外，从结构上 要求是要求是单晶薄膜单晶薄膜第一节清洁表面第一节清洁表面大部分功能材料的晶体都是各向异性的。大部分功能材料的晶体都是各向异性的。单晶化可最大程度发挥材料的特性和维持材料性单晶化
31、可最大程度发挥材料的特性和维持材料性能能 的稳定性。的稳定性。二维材料则需要二维材料则需要单晶薄膜单晶薄膜多晶膜多晶膜IF圣单晶膜单晶膜IF圣第一节清洁表面第一节清洁表面驀驀晶薄膜晶薄膜在在f f在在f基板）表面基板）表面（晶（晶种）上生成。种）上生成。薄膜薄膜基板基板1=1单晶薄膜是否能形成单晶薄膜是否能形成,极大地取决于基板表面极大地取决于基板表面原子结构（原子结构（表面晶面表面晶面晶晶 格常数格常数和和缺陷缺陷）。第二节实际表面第二节实际表面实际工作和生活中遇到的材料表面实际工作和生活中遇到的材料表面金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料这些材料表面不可能经离子轰击处理，保
32、存在真空中这些材料表面不可能经离子轰击处理，保存在真空中第二节实际表面第二节实际表面第二节实际表面第二节实际表面经过经过一定加工处理一定加工处理（切割、研磨、抛光等切割、研磨、抛光等）、在、在大气大气环境环境下存在的单晶、多晶、非晶体的表面称为下存在的单晶、多晶、非晶体的表面称为实际实际 表面表面。实际表面中关注是实际表面中关注是nm卩卩m级范围内表面微结构级范围内表面微结构（组组织织）、化学成分、形貌、不同形态、化学成分、形貌、不同形态（形状形状）材料表面的材料表面的特征。特征。2卩卩mAcc.V Spot Maqn Dot WD,IOOkV 30 40000 x TLD 7.6 Zhoji
33、ang Uni喷雾热解形成的喷雾热解形成的TiO2薄膜薄膜(1)为什么金属表面结构区域一般大于氧为什么金属表面结构区域一般大于氧 化物？材料在抛光过程中发生哪些变化？化物？材料在抛光过程中发生哪些变化？对材料产生哪些有利和不利作用？对材料产生哪些有利和不利作用？(2)金属材料与氧化物材料表面成份与体金属材料与氧化物材料表面成份与体 内有何区别？其原因是什么？内有何区别？其原因是什么？(3)纳米颗粒具有极高的反应活性，其原纳米颗粒具有极高的反应活性，其原 因是什么？因是什么？第二节实际表面第二节实际表面2.1表面粗糙度表面粗糙度衡量表面平整程度时，当波距小于衡量表面平整程度时，当波距小于1mm时
34、，表时，表 面出现的不平整性称为面出现的不平整性称为表面粗糙度表面粗糙度。10gm第二第二节实际表面节实际表面(1)表面粗糙度定量值表面粗糙度定量值当当比较比较不同表面粗糙程度的大小时，需要有定不同表面粗糙程度的大小时，需要有定 量或测量粗糙程度的方法。量或测量粗糙程度的方法。测量方法：选用一条轮廓中线测量方法：选用一条轮廓中线(m),中线是一条中线是一条 理想的线，在此线上粗糙度为零。理想的线，在此线上粗糙度为零。第二节实际表面第二节实际表面(a)轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差Ra 在取样长度在取样长度1内内，测量表面上一些点距中线测量表面上一些点距中线m的的 距离距离yi，y2,yn,取
35、其绝对值的算术平均值。取其绝对值的算术平均值。公式表示为：公式表示为：Ra=ly dx其近似表达式为其近似表达式为：1 Rai=1 n第二节实际表面第二节实际表面(b)微观不平整十点高度微观不平整十点高度Rz在取样长度内在取样长度内，从平行于中线的任何一条线起从平行于中线的任何一条线起,到被测量轮廓的五个最高峰到被测量轮廓的五个最高峰(yp1,yp2,五个最低谷五个最低谷(yvi，yv2,yv5)平均権之和平均権之和,=j，O Oyp5)与与i=1i=15第二节实际表面第二节实际表面9八八.(c)轮廓最大高度轮廓最大高度Ry在取样长度内，除去个别明显的偏离值之后，在取样长度内，除去个别明显的偏
36、离值之后，过最高峰和最低谷，分别作平行于中线的平行过最高峰和最低谷，分别作平行于中线的平行 线，这两条平行线间的距离称轮廓最大高度，线，这两条平行线间的距离称轮廓最大高度，第二节实际表面第二节实际表面(2)表面粗糙系数表面粗糙系数R 一些材料表面形状复杂一些材料表面形状复杂，除了外表面外还有内除了外表面外还有内表表 面。一般釆用面。一般釆用粗糙系数粗糙系数R来表示。来表示。R=Ar/Ag式中式中Ag为几何表面，为几何表面，Ar为实际表面。为实际表面。Ag=10 X X10 p pm,Ar为曲面形成的面为曲面形成的面 积积第二节实际表面第二节实际表面加工方式与粗糙系数加工方式与粗糙系数材料材料加
37、工条件加工条件粗糙系数粗糙系数铝铝箔箔6板材抛光板材抛光1.6阳极氧化层，厚阳极氧化层，厚20p pm200900铁铁2号金刚砂抛光，苯去脂号金刚砂抛光，苯去脂3.8膜膜60RM R块块 险险Q Q R抛光块抛光块第二第二节实际表面节实际表面粗糙度对材料研究和生产的影响粗糙度对材料研究和生产的影响(a)材料表面受力的影响材料表面受力的影响由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互 接触时接触时，真实接触面积真实接触面积与与表观面积表观面积差别较大。差别较大。在实际应用中，在实际应用中，表观面积表观面积与加工方式和负荷无与加工方式和负荷无 关。但关。但真实接
38、触面积真实接触面积会随受力会随受力负荷负荷而而改变改变。第二第二节实际表面节实际表面负荷为负荷为2kg时，则真实接触面积只是表观面积时，则真实接触面积只是表观面积的的1/100,000。负荷为负荷为100kg时，真实接触面积为表观面积的时，真实接触面积为表观面积的1/200粗糙度会使材料表面受力不均匀，并可能产生损伤粗糙度会使材料表面受力不均匀，并可能产生损伤。全压配式 生物型臼杯近駅桂缺防止皆质 向内生长.又剁于将 来的钥叫取出碼側造型保持了胡带 的紧张匡.防止眼臼HM.WMIS.加上 侧而的凹檐，増加了 抗峻转榆定性生*3Sft水谣近蜻納光清的远皿减少 大圈的疼-8 神122.5-175m
39、m 长度可供选择It彫尖H減少了对 远词骨干的隆力（双重莎度的骨梢易于骨的员健.滅少智,縮的发生ENDON，*%构造釆用了动力原K:交叉部位和TI6AL4V合金的使用.在保证了高 桧定的基础上，又保持了一定的津性；加速了 针的Bit.防止了针妻缩28MM題姿跳，3种般碍况长度 炭格：S.M L（12/14播度可供逸择（外植孔利于植入物的取出超高分子量聚烯,金属，陶瓷材料粗糙表面：易 产生磨屑，“颗粒病”低粗糙度表 面：磨损量 小EWJS骨与植入体没有键合骨与植入体没有键合化学键合化学键合羟基磷灰石（相互交融在一起）羟基磷灰石（相互交融在一起）化学键合化学键合钛合金钛合金骨骨钛合金钛合金骨骨界面
40、存在着纤维组织界面存在着纤维组织骨与植入体产生键合骨与植入体产生键合较强结合较强结合强结合强结合粗糙表面可以增加基板与涂层的结合力粗糙表面可以增加基板与涂层的结合力(c)亲水性亲水性第二节实际表面第二节实际表面粗糙度粗糙度10nm粗糙度粗糙度33nm辐照前辐照前紫外线辐照紫外线辐照3h保存保存4天后天后保存保存7天后天后粗糙度咼粗糙度咼4201260 0粗糙度低粗糙度低5051332第二节实际表面第二节实际表面课堂作业：课堂作业：讲义上图讲义上图1 3(p2)中反映了中反映了NaCl表面表面弛豫过程弛豫过程 即即Na和和Cl离子产生位移后形成表面的晶格常数离子产生位移后形成表面的晶格常数 与体
41、内保持相同。请与体内保持相同。请说明说明为什么离子发生移动为什么离子发生移动 后，表面晶格常数仍能保持不变？后，表面晶格常数仍能保持不变？A A1 1X X8 8!O1YQ AY o-6ooooooro o o o o Oo o o o o O构结豫构礙弛(b b与构结想W W构a ac c面N N表想m 二理AGOOOOOQAYPOAYOd o o o o o o该题目是针对该题目是针对“静静态态”时情景分析，即对表面时情景分析，即对表面 原子排列变化的分析。原子排列变化的分析。原子相对位置变化（垂直于平面移动）原子相对位置变化（垂直于平面移动）格点位置变化（格点是由什么组成）格点位置变化（
42、格点是由什么组成）晶胞尺寸变化（晶胞对应置在哪里）晶胞尺寸变化（晶胞对应置在哪里）J-三维三维NaCL晶体结构晶体结构点群点群-布拉维格子布拉维格子空间群数空间群数IQ格点格点oobc o oo o o cb o cbooooooo o o o o o原子间原子间距距 晶格（点阵）常数晶格（点阵）常数 原子或离子原子或离子 格点格点问题：在下图中表面原子也发生上下方向上的问题：在下图中表面原子也发生上下方向上的变变 化，化，为什么为什么称重构呢？称重构呢？晶格晶格（点阵点阵）常数发生了变化常数发生了变化 一一 重构重构材料表面与界面第二节实际表面第二节实际表面实际工作和生活中遇到的材料表面实际
43、工作和生活中遇到的材料表面金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料这些材料表面不可能经离子轰击处理，保存在真空中这些材料表面不可能经离子轰击处理，保存在真空中第二节实际表面第二节实际表面第二节实际表面第二节实际表面经过经过一定加工处理一定加工处理（切割、研磨、抛光等切割、研磨、抛光等）、在、在大气大气环境环境下存在的单晶、多晶、非晶体的表面称为下存在的单晶、多晶、非晶体的表面称为实际实际 表面表面。实际表面中关注是实际表面中关注是nm卩卩m级范围内表面微结构级范围内表面微结构（组组织织）、化学成分、形貌、不同形态、化学成分、形貌、不同形态（形状形状）材料表面的材料表面的特征。特征。
44、2卩卩mAcc.V Spot Maqn Dot WD,IOOkV 30 40000 x TLD 7.6 Zhojiang Uni喷雾热解形成的喷雾热解形成的TiO2薄膜薄膜第二节实际表面第二节实际表面2.1表面粗糙度表面粗糙度衡量表面平整程度时，当波距小于衡量表面平整程度时，当波距小于1mm时，表时，表 面出现的不平整性称为面出现的不平整性称为表面粗糙度表面粗糙度。10gm第二第二节实际表面节实际表面(1)表面粗糙度定量值表面粗糙度定量值当当比较比较不同表面粗糙程度的大小时，需要有定不同表面粗糙程度的大小时，需要有定 量或测量粗糙程度的方法。量或测量粗糙程度的方法。测量方法：选用一条轮廓中线测
45、量方法：选用一条轮廓中线(m),中线是一条中线是一条 理想的线，在此线上粗糙度为零。理想的线，在此线上粗糙度为零。第二节实际表面第二节实际表面(a)轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差Ra 在取样长度在取样长度1内内，测量表面上一些点距中线测量表面上一些点距中线m的的 距离距离yi，y2,yn,取其绝对值的算术平均值。取其绝对值的算术平均值。公式表示为：公式表示为：Ra=ly dx其近似表达式为其近似表达式为：1 Rai=1 n第二节实际表面第二节实际表面(b)微观不平整十点高度微观不平整十点高度Rz在取样长度内在取样长度内，从平行于中线的任何一条线起从平行于中线的任何一条线起,到被测量轮廓的五个
46、最高峰到被测量轮廓的五个最高峰(yp1,yp2,五个最低谷五个最低谷(yvi，yv2,yv5)平均権之和平均権之和,=j，O Oyp5)与与i=1i=15第二节实际表面第二节实际表面9八八.(c)轮廓最大高度轮廓最大高度Ry在取样长度内，除去个别明显的偏离值之后，在取样长度内，除去个别明显的偏离值之后，过最高峰和最低谷，分别作平行于中线的平行过最高峰和最低谷，分别作平行于中线的平行 线，这两条平行线间的距离称轮廓最大高度，线，这两条平行线间的距离称轮廓最大高度，第二节实际表面第二节实际表面(2)表面粗糙系数表面粗糙系数R 一些材料表面形状复杂一些材料表面形状复杂，除了外表面外还有内除了外表面外
47、还有内表表 面。一般釆用面。一般釆用粗糙系数粗糙系数R来表示。来表示。R=Ar/Ag式中式中Ag为几何表面，为几何表面，Ar为实际表面。为实际表面。Ag=10 X X10 p pm,Ar为曲面形成的面为曲面形成的面 积积第二节实际表面第二节实际表面加工方式与粗糙系数加工方式与粗糙系数材料材料加工条件加工条件粗糙系数粗糙系数铝铝箔箔6板材抛光板材抛光1.6阳极氧化层，厚阳极氧化层，厚20p pm200900铁铁2号金刚砂抛光，苯去脂号金刚砂抛光，苯去脂3.8膜膜60RM R块块 险险Q Q R抛光块抛光块第二第二节实际表面节实际表面粗糙度对材料研究和生产的影响粗糙度对材料研究和生产的影响(a)材
48、料表面受力的影响材料表面受力的影响由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互 接触时接触时，真实接触面积真实接触面积与与表观面积表观面积差别较大。差别较大。在实际应用中，在实际应用中，表观面积表观面积与加工方式和负荷无与加工方式和负荷无 关。但关。但真实接触面积真实接触面积会随受力会随受力负荷负荷而而改变改变。第二第二节实际表面节实际表面负荷为负荷为2kg时，则真实接触面积只是表观面积时，则真实接触面积只是表观面积的的1/100,000。负荷为负荷为100kg时，真实接触面积为表观面积的时，真实接触面积为表观面积的1/200粗糙度会使材料表面受力不均匀，并
49、可能产生损伤粗糙度会使材料表面受力不均匀，并可能产生损伤。第二节实际表面第二节实际表面2.2表面的组织表面的组织（微观结构微观结构）材料学角度考察结构时：关注材料学角度考察结构时：关注nmT T卩卩mr rmm 范围内结构特征范围内结构特征（晶体？晶体种类？颗粒尺晶体？晶体种类？颗粒尺 寸？寸？）T T微观结构微观结构_实际表面：由于经过加工而成，材料表面实际表面：由于经过加工而成，材料表面微观微观结构结构也与体内有相当不同。也与体内有相当不同。第二节实际表面第二节实际表面处理方式：抛光处理方式：抛光磨料颗磨料颗 粒粒第二节实际表面第二节实际表面贝尔比层贝尔比层 微晶区微晶区_明显变形明显变形
50、区区第二第二节节 实际表面实际表面实际表面微实际表面微 观结构特征观结构特征(a)金属材料金属材料 一般金属材料表面要通过研磨抛光而成，表面一般金属材料表面要通过研磨抛光而成，表面 在结构和组成上都会发生变化在结构和组成上都会发生变化在距表面在距表面1p pm内，内，晶粒尺寸晶粒尺寸与体内显著不同。与体内显著不同。离表面离表面0 3卩卩m的范围的范围，晶粒尺寸很细晶粒尺寸很细，在在最表面最表面 层为以非晶态存在层为以非晶态存在T T贝尔比层贝尔比层第二节第二节Cu表面组织表面组织、!Y Yaaaa，晶界面角晶界面角平平就大于就大于120。（0 0相就在晶相就在晶界处形成界处形成 孤立的袋状第二
