1、2.1 2.1 固体表面结构与性能固体表面结构与性能2.1.1 2.1.1 固体的表面结构固体的表面结构2.1.2 2.1.2 表面自由能与界面润湿表面自由能与界面润湿2.1.1 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
2、作用等；4、认为体内、认为体内原子的位置与结构是无限周期原子的位置与结构是无限周期性的性的，则表面原子的位置与结构是半无限，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。（指固体材料与气体或液体的分界面，包（指固体材料与气体或液体的分界面，包括理想、清洁、覆盖和实际表面）括理想、清洁、覆盖和实际表面）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。晶面1（平面）晶面3（连接面）晶面2（立面）清洁表面通常分为三种清洁表面通常分为三种：台阶表面、弛豫表面台阶表面、弛豫表面、重构表面、重构表面 二、清洁表面二、清洁表面 不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、
3、化学效应的表面。不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。台阶台阶2、弛豫表面弛豫表面-指指表面层之间表面层之间以及以及表面和体内原子层表面和体内原子层之间的之间的垂直间距垂直间距ds和体内和体内原子层间距原子层间距d0相比有所相比有所膨胀和压缩膨胀和压缩的现象。的现象。ds内部内部表面表面d0弛豫弛豫3、重构表面重构表面-指表面原子层在指表面原子层在水平方向水平方向上的周期性不同于体内，上的周期性不同于体内，但在但在垂直方向垂直方向上的上的层间间距层间间距d0与体内相同。与体内相同。d0内部内部表面表面d0重构重构三、覆盖表面三、覆盖表面当其他原子进到表面出现另外的表面结构
4、，这种表面成为当其他原子进到表面出现另外的表面结构，这种表面成为覆盖表面，其中，这些原子可以来自外部，也可以来自内覆盖表面，其中，这些原子可以来自外部，也可以来自内部杂质原子。部杂质原子。（表面的化学组成和排列都与体内不同，分为表面的化学组成和排列都与体内不同，分为吸附、偏吸附、偏析析或或化合化合等形式）等形式）吸附吸附化合化合偏析偏析四、实际表面四、实际表面指经过一定加工处理（切割、研磨、抛光、清洗等）的表面。指经过一定加工处理（切割、研磨、抛光、清洗等）的表面。与清洁表面相比较，有下列一些重要特点：与清洁表面相比较，有下列一些重要特点：表面粗糙度：表面粗糙度：表面有明显的起伏，同时还可能有
5、裂缝、空洞等。表面有明显的起伏，同时还可能有裂缝、空洞等。拜尔贝层：拜尔贝层：在表面约在表面约10nm10nm的深度内，形成一种非晶态薄层的深度内，形成一种非晶态薄层-拜拜尔贝尔贝 （BeilbyBeilby）层。）层。表面存在大量的活性晶格点：表面存在大量的活性晶格点：比电解抛光或低温退火预处理后的表比电解抛光或低温退火预处理后的表面更活泼。面更活泼。残余应力：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。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。表面氧化，吸附和
6、粘污：表面氧化，吸附和粘污：固体与气体的作用有三种形式：吸附、吸固体与气体的作用有三种形式：吸附、吸收和化学反应。收和化学反应。2.1.3 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指数面的表面单胞多为（指数面的表面单胞多为（1 1）结构；
7、）结构；2、表面单胞与体内单胞在表面的投影相等；、表面单胞与体内单胞在表面的投影相等；3、表面键长与体内键长相近；、表面键长与体内键长相近；4、垂直于表面的最上层与第二层的间距接近于体内的值，变动、垂直于表面的最上层与第二层的间距接近于体内的值，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、非紧密堆积的原子比紧密堆积的原子更趋向于松弛；、非紧密堆积的原子比紧密堆积的原子更趋向于松弛；6、有些晶面上吸附原子后，表面和体内的键长差别减小甚至消、有些晶面上吸附原子后，表面和体内的键长差别减小甚至消 失（可能是表面断裂的键由
8、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）。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：清洁的半导体表面，具有如下特点：1、表面普遍发生重构现象；、表面普遍发生重构现象；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；三、氧化物表面结构三、氧化物表面结构 对于氧化物表面，一般都出现重构现象，主要原因是非化学对于氧化物表面，一般都出现重构现象，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
9、氧化态变化造成的。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，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。2.1.4 固体的界面固体的界面界面：
10、两相之间的接触面。如相界面、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超晶格界面超晶格界面薄膜界面薄膜界面一、界面类型一、界面类型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。RR2、孪晶界面、孪晶界面3、混合界面、混合界面孪晶界面又称
11、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。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操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5、超晶格界面结构、超晶格界面结构 在制膜过程中，如果逐层沉积不同结构或成分的材料，控在制膜过程中，如果逐层沉积不同结构或成分的材料，控制膜厚，形成厚度方向的周期性结构，就会制膜厚，形成厚度方向
12、的周期性结构，就会得到超晶格薄膜得到超晶格薄膜。获得：获得：在在分子束外延分子束外延或或金属有机物化学沉积金属有机物化学沉积中，通过中，通过计算计算机严格控制机严格控制，使使每层的厚度控制在每层的厚度控制在10-100范围范围，交替沉积交替沉积，构，构成成多层结构多层结构，从而获得从而获得超晶格薄膜超晶格薄膜。6、薄膜界面结构、薄膜界面结构薄膜界面结构非常繁杂，因为：薄膜界面结构非常繁杂，因为：薄膜本身的结构和成分多种多样，如单晶、多晶、薄膜本身的结构和成分多种多样，如单晶、多晶、非晶、无定形、合金等；非晶、无定形、合金等；薄膜常含有不同程度的杂质和缺陷；薄膜常含有不同程度的杂质和缺陷；各种结
13、构和成分的基底；各种结构和成分的基底；等等。等等。7、陶瓷晶界结构、陶瓷晶界结构1、电容器陶瓷晶界、电容器陶瓷晶界2、压电陶瓷晶界、压电陶瓷晶界3、半导体陶瓷晶界、半导体陶瓷晶界4、超导体陶瓷晶界、超导体陶瓷晶界二、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
14、意图 据晶界结构相邻晶粒取向差别角度的大小，可分为小角度据晶界结构相邻晶粒取向差别角度的大小，可分为小角度晶界和大角度晶界。晶界和大角度晶界。2、小角度晶界、小角度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。小角倾转晶界示意图P54 图倾斜晶界、扭转晶界、重合晶界倾斜晶界、扭转晶界、重合晶界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10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
15、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。5、晶界能、晶界能晶界能晶界能：晶界处的界面能。：晶界处的界面能。小角度范围（小角度范围（10）时：小角度晶界的能量主要来自位错）时：小角度晶界的能量主要来自位错能量，而位错密度又决定于晶粒间的位向差，所以，小角度晶能量，而位错密度又决定于晶粒间的位向差，所以，小角度晶界能界能也和位向差也和位向差有关：有关：ln0A 0为常数，取决于为常数，取决于材料的切变模量材料的切变模量G、泊松比、泊松比和柏氏矢量和柏氏矢量b，A为积分常数，取决于位错中心的原子错排能。为积分常数，取决于位错中心的原子错排能。大角度范围：复杂，有待进一步解释。大角度范围：复杂，有待进一步解释。
