表面扩散
是指原子、离子、分子以及原子团在固体表面沿表面方向的运动。当固体表面存在化学势梯度场，扩散物质的浓度变化或样品表面的形貌变化时，就会发生表面扩散。
表面原子是在周期势中断的平面上移动，因而，表面扩散与体内扩散固然有许多相同之处，但也有自身特点。主要是扩散率高，在晶须生长实验中，观察到的表面扩散率高达1厘米2/秒,这已与气相扩散过程相近，表面扩散过程与表面的取向有关，用场离子显微镜观察到单个铼原子在铱的(111)、(113)平台上的异质表面扩散激活能分别为0.52eV及1.17eV，差别很大；表面状态如吸附物质的存在，也会强烈影响表面扩散。
热振动能量的涨落可能使表面原子获得足够的能量克服表面势垒，变成近邻位置上的吸附原子，这是最简单的完整晶体表面自扩散。在实际晶体表面上存在各种类型的缺陷，根据表面条件，表面原子可以在平台上或沿台阶移动；表面原子也可填充到表面空位上，引起空位的迁移；或发生更加复杂的扩散过程。
研究表面扩散的实验方法主要是放射性示踪、物质传递、场离子显微镜及场发射等技术。人们运用这些实验方法测定表面扩散系数,用以研究表面动力学过程,确定表面势。表面扩散与烧结、晶体生长、薄膜工艺、蠕变等密切相关。但对表面扩散过程机理的了解有待深入。
表面物理学
发展极为迅速的领域。
表面物理学是固体表面附近的几个原子层内具有许多异于体内的
对称性质。表面物理学研究在超高真空下（10-10～10-11Torr），这
几个原子层内原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来
原子或分子以及在表面几个原子层内的外来杂质的电子状态和其
他物理性质。实验上是通过电子束、离子束、原子束、光子、热、
电场和磁场等与表面的相互作用而得到有关表面结构、表面电子
态、吸附物的品种、结合的类型和成键的取向等信息。例如：由
于偏析造成化学成分与体内不同，原子排列情形不同，表明能吸
附外来原子或分子形成有序或无序的覆盖层等
表面物理学-内容
表面结构
理想的晶体表面具有二维周期性，其单位网格由基矢a1和a2决定,根据对称性的要求，可能形成的二维单位网格有五种，如图1所示，这五种格子常称为二维布喇菲格子。由于表面原子受力的情况与体内不同,或由于有外来原子的吸附，最表面层原子常会有垂直于或倾斜
于表面的位移，表面下的数层原子也会有相应的垂直或横向位移，因而表面单位网格的基矢
b1和b2与理想的表面不同，这种现象称为表面再构,如果表面原子只有垂直于表面的运动，则称为表面弛豫。表面结晶学的主要研究内容是弄清b1、b2与a1、a2之间的关系。如
b1=p a1,b2=q a2,p和q都是整数，常用下述符号来描写晶体表面结构 R(hkl) p×q,式中R是元素的符号，(hkl)代表密勒指数是hkl的晶面。如果再构是由吸附物A引起的，则可用符号 R(hkl)p×q－A或 A/R(hkl)p×q。
如果表面和衬底单位网格的基矢并不平行，b1与a1、b2与a2之间有相同的夹角α,则常用下述符号来标志表面的再构 R(hkl)p×q－α。
要定量地研究表面，必须获得表面所有原子的坐标信息，为此早期采用的实验方法是低能电子衍射(LEED)。把能量在5～500eV范围的电子沿近于正入射的方向射向晶体表面，通过在荧光屏上观察到的衍射点可以获得有关表面的单位网格的信息。对若干衍射斑点记录斑点强度随电子能量变化的曲线（I-V线）,并对实验结果用根据一定的几何构形计算的理论曲线加以拟合，从而定出原子在单位网格中的位置，这就是LEED结晶学研究表面结构的方法。利用这种方法，研究了许多清洁金属表面的弛豫和再构、金属表面上的吸附、半导体表面的弛豫和再构等。图2给出目前研究得最清楚的而且认识比较一致的 GaAs(110)表面的结构。在表面上的砷原子向外弛豫，而镓原子则向内移动，表面的As-Ga键与无弛豫的表面的As-Ga 键之间有一个夹角为ω1的倾斜。由于电子在晶体表面的多重散射增加了LEED结晶学在理论分析上的复杂性。此外，也可用中能电子衍射(MEED)和高能电子衍射 (RHEED)来研究表面结构。
(SEXAFS)是近年来发展起来的研究
表面结构的另一手段。当吸附在衬
底 S上的原子A吸收X 射线后，从
芯态发射的光电子可受到周围原子
的散射，出射电子波与散射电子波
之间有干涉作用形成有起伏的末
态。这个有起伏的末态使X 射线吸
收的几率在吸收边后有振荡现象，
振荡的幅度与周期包含了吸附原子
A的近领数及其和周围原子所形成
的键长的信息。键长确定的准确度
达±0.03┱。利用能量为 60meV
的氦原子在固体表面的弹性散射可
以研究衬底和吸附层的周期性结
构。足够强的原子束和表面的强相
互作用，使这种探测方法具有相当高的灵敏度。探测深度只有3～4┱,衍射峰的强度主要取
决于氦原子和表面原子的相互作用势，如何确定与实际情况最接近的势是当前的一个困难问
题。
将能量在0.1～3MeV的 He+或 H+离子束准直沿着晶轴入射，由于离子束首先遭到晶轴第一个
原子的散射,入射离子的轨迹形成一个影锥。由于入射波束的波长远小于点阵常数，可把散
射过程看作似弹性碰撞，通过测量在影锥中的原子的散射可以测定第一层原子的位移。
表面成分
表面成分的确定是表面研究中的另一重要课题。利用原子芯态能级的位置和原子的质量这两
个特征可以确认原子的类别。
X 射线光电子谱(XPS)是通过测量入射X射线打出表面外的光电子的动能E k来确定芯态能级
的位置E b,从而定出原子的类型及其与周围原子成键的信息。芯态能量E b和入射光子能量啚
ω，出射光电子动能E k之间的关系为
φs是功函数（图3）。在固体表面上，E b的数值随着与周围原子成键的情况而有所移动，利
用这种“化学位移”可以得到有关成键的信息。
俄歇电子谱 (AES)利用涉及三个能级的过程来确认原子，基本过程如图4所示。用能量在3～5keV的电子束e-入射到晶体表面,把处于A能级某一芯态电子激发到体外,较高能级B的电子可通过无辐射复合过程填满空穴，并把多余的能量用来激发处于 C能级的另一个电子。通过测量这些逸出电子的数目随能量变化的信息可以识别元素。图4所示的过程称作俄歇过程,它涉及了A、B、C三个能级。当元素与其他元素形成化学键时，也会引起谱线的移动（俄歇电子谱）。
出现电势谱(APS) 测量足以产生芯态空穴的最低能量（见出现电势谱，图1）。由于芯态能量随元素而异，因此通过这个能量的测定可以鉴别元素。空穴的产生可以通过填充空穴时所涉及的俄歇过程或所发出的软 X射线来探测。前者称为俄歇出现电势谱(AEAPS)，后者为软X 射线出现电势谱(SXAPS)。如果测量入射电子束的反射，由于参与激发芯态电子的入射电子的能量损失而不在反射中出现，因此测量反射束强度的减弱也可探测空穴的存在，这个方法称为消隐出现电势谱(DAPS)（见出现电势谱）。
当低能（200～2000eV）惰性气体离子He+、Ne+、Ar+等入射到表面时，通过弹性碰撞，由在一定角度内散射离子可测出表面原子的质量。由能量和动量守恒定律，能量为E0，散射到实验室参考系θ角中能量为E质量为M1的离子束，E和E0的关系可表示为
这个方法称为离子散射谱(ISS),上式对能量更高的离子也适用，只是实验上多采用θs≈π的背散射。对于低能离子散射，θs≈π/2。
如将能量为2～20keV的氩、氮、氧或铯离子入射到固体表面上，通过一系列的碰撞过程，次级离子及离子集团逸出体外，用质谱仪确认离子的品类，这种方法称为次级离子质谱(SIMS)。
对于有吸附物的表面，也可通过脱附过程来确认吸附物的类型以及吸附物与衬底的结合能。可通过加热、电子轰击和光照射来产生脱附，分别称为热脱附(TDS)、电子感生脱附(ESD)或光子感生脱附(PSD)。对于热脱附，脱附的激活能和产生脱附峰的绝对温度成正比。当用能量在10～1000eV的电子轰击表面时, 入射电子通过碰撞可将与衬底成键的原子中的电子由成键态激发到反键态，这个受激态和衬底的排斥势可使原子以离子态离开表面，常把这种机理称为门泽尔 (Menzel)－戈默(Gomer)－雷德黑德 (Redhead)模型。离子逃逸的方向形成分立的锥形。锥轴取决于被脱附断裂的分子键的取向。通过测量逃逸离子束的角分布，可以研究吸附类型，这个方法称为电子激发脱附离子角分布(ESDIAD)。对于过渡金属氧化物M.L.诺特克和P.J.菲布尔曼认为电子束轰击表面后，可在金属离子的芯态产生空穴，氧离子可通过离子间的俄歇过程，激发俄歇电子，成为中性氧原子或荷正电的氧离子离开表面（图6），因此 ESD可以用来做为研究表面吸附原子价态的有力工具。
表面电子态
在弄清表面结构和表面成分后，表面物理的主要研究内容之一是表面电子态和有关的物理性质。光电子能谱是研究表面电子态的重要方法之一。真空紫外辐射的光子可将固体体内价态中的电子或表面态的电子激发到较高能态，通过一系列的碰撞过程，逃逸出表面，测量这些电子的能量分布曲线(EDC)可得到有关占有状态密度的信息。由于表面态电子和体内电子服从不同的选择定则，可通过测量光子能量不同的能量分布曲线，其中不随光子能量变化而移动的峰即相应于表面态的峰。近年来，由于同步辐射的发展，可获得能量连续可变的光源。
选择不同的光子能量可使光电子具有最小的逃逸深度，从而提高表面灵敏度，如果收集在某个角度内出射的光电子谱，则可得出表面电子态中占有态的能量色散关系。
测量总的光电子数随光子能量变化的谱称为产额谱，这个方法最早用来探测能隙中表面态的密度，当电子从占有态被激发到略高于真空能级的空态，这个电子可通过俄歇过程来激发电子，也可在经受多次碰撞后逃逸出体外。测量总的产额随光子能量的变化可灵敏地探测能隙中的状态。利用同步辐射，光子可将价带中的电子激发到导带或空的表面态，通过控制激发逃逸深度在 5～30┱的光电子，可探测表面态。当吸收光子后,激发的芯态电子可通过俄歇过程而退激发，也可通过和价带有关的激子的直接复合，或是与表面空态的直接复合，由此而产生的快电子可再次通过电子、电子之间的相互作用产生较慢的次级电子。在总的产额谱中，快的和慢的电子都被收集，如果只收集能量在5eV以下的次级电子，这种分析方法称为部分产额谱(PYS)。如测量能量高于5eV某一个范围内的产额谱，则称为恒定末态谱(CFS)，通过这种模式可以研究初态和激子的影响；如果同步地改变入射光子和电子分析器的能量,得到恒定初态谱(CIS)。如果适当选择E，使价带发射光电子的几率小，并增加芯态俄歇衰减的产额，就可以大大增强芯态到表面态的跃迁。利用光电子发射的衍射现象也可研究表面结构。
如将50～200eV 左右的低能电子束入射到固体表面，测量反射电子的能量损失如图7所示，通过这种能量损失谱可得到体等离激元、表面等离激元等信息。能量损失也可用于激发带间的跃迁或芯态能级间的跃迁。
利用电子的隧道过程也可探测表面电子态。当离子接近固体表面时，表面价态中电子可通过隧道效应和离子中和，放出的能量可用来把固体价态的电子激发到体外，利用这种过程来探测表面电子态的方法称为离子中和谱(INS)。由于只有在非常靠近表面的电子,才可能通过隧道效应与离子的空态复合，也只有在表面处激发的俄歇电子才能逸出体外，因此离子中和谱是对表面非常灵敏的探测手段。如果在中和过程中被激发的是在离子激发态的电子，这种过程称为亚稳退激谱(MDS)。
场发射显微镜(FEM)是根据冷阴极发射原理，把阴极腐蚀成半径为1～2000┱的尖端, 施加负电压后电子可通过隧道效应穿透到固体表面外并打在阴极前面的荧光屏上。由于电子穿透隧道的几率与外加电场和针尖的功函数有关，因此打在荧光屏上电子的多少就是针尖材料功函数大小的复制图。通过图形的变化可以了解气体原子在针尖表面的吸附、分解和扩散等过程。
为了提高分辨率，在场发射显微镜的基础上又发展了场离子显微镜(FIM)。把金属样品做成针尖状,然后加正电压，在针尖周围充以低压惰性气体，气体的电子可通过隧道效应进入样
品费密能级以上的空态，带正电的离子被针尖场所斥，打在荧光屏上并显示出一定的图样，这个图样可提供有关表面分子电离、化学反应、分解以及蒸发的信息。在场离子显微镜的荧光屏上开一小孔，并将它与飞行时间质谱仪相结合，则构成原子探测束。
表面声子
由于表面可被看为破坏了点阵周期性的缺陷，因此表面的原子具有和体内原子不同的振动模式。当表面有分子的覆盖层，通过研究这些覆盖层的振动模式可以测定吸附分子的结构，确定分子在表面的吸附位置。通过观察某些振动模式的激发，可以得到吸附分子相对于衬底的取向，研究频率随覆盖度的变化，可以了解覆盖层的横向相互作用。可以用红外反射谱(IRAS)、高分辨电子能量损失谱（HREELS）和非弹性电子隧道谱(IETS)来研究表面的振动。红外反射谱的优点是分辨率高，可在周围环境加压来模拟真正催化作用的情况，缺点是灵敏度低。高分辨电子能量损失谱具有高的灵敏度，但分辨率低。这个方法所根据的原理同前面所介绍的能量损失谱同,但是由于声子的能量只有数十毫电子伏，因此要求特殊设计的高分辨的探测器以及高度单色性的电子枪。非弹性隧道谱（IETS）是利用金属-绝缘体-金属（超导态）的夹心结构中的隧道过程(见约瑟夫森效应)来研究吸附在绝缘层的体系的振动谱，可由此决定吸附分子的分子结构，确定吸附分子的表面浓度、吸附物的取向、吸附物之间的相互作用等。
表面物理学-研究方向
表面物理学的主要研究课题为：
①表面结构，即表面层的原子排列情况，包括原子种类、彼此间的相对位置（键长和键角等）、偏离二维周期性结构的各种缺陷（如空位、填隙原子、畴界等）。
②表面化学成分的分析。
③外来原子或分子在表面的吸附和脱附过程，以及由此而引起的化学成分和结构的变化。
④表面原子的横向输运过程。
⑤表面电子态和声子态。
表面物理学的研究包括实验和理论两方面。实验上主要是以粒子束或射线束入射到固体表面，收集并分析入射束与表面相互作用后的产物，以得到关于表面区的各方面的信息。理论研究是把传统的固体量子理论和量子化学理论应用到表面区，对定域于表面区的微观粒子的运动状态及相互作用进行理论计算，并与实验结果作比较。在表面物理学的研究方面，实验和理论两种方法是相辅相成的。
表面物理学-理论研究
除去用各种实验手段来研究表面外，理论研究也是表面物理的一个重要方面。
的结果比较，最理想的情况是通过总能量的计算和求能量最小
值来确定表面原子的位置，但在计算过程中主要遇到的困难是
表面附近电荷分布与原子的位置与体内不同，因此势场也和体
内情况不同。由于势场和电荷的相互关系，必须用复杂的自洽
的计算。目前多采用类似传统能带计算法而建立的薄片模型或
用量子化学中惯用的分子集团模型。后者用有限的原子数来模
拟半无限大的晶体，利用这种方法可以比较容易地计算集团的
总能量，对具有不同几何构形的原子所组成的集团计算总能量
后，从与总能量最小值相对应的构形可给出有关的物理性质，
例如原子在表面的吸附位置、键长等。在薄片模型中可用紧束缚法、赝势法、缀加平面波的线性组合(LAPW)等。近年来趋向于发展通过自洽计算求总能量的途径。通过比较光电子发射谱和根据一定模型计算的电子结构，是确认表面结构的一种可能的途径。对于金属，功函数的计算可用来检验自洽表面势的准确程度。表面能计算结果的好坏取决于如何计入电子与电子之间的相互作用，这些都仍在深入研究中。
由于催化作用，金属的腐蚀都是发生于表面的过程，随着大规模集成电路的发展，特别是集成度的增加，表面起的作用也愈大，因此表面物理是一门具有很强应用背景的学科，受到普遍的重视
表面物理学-研究意义
（1）对固体表面的研究具有重大实际意义，例如金属和合金材料的腐蚀、磨损和断裂等问题直接与表面的化学成分有关；
（2）半导体器件的性能受到表面状况的重大影响；多相催化机理、材料的老化和中毒等都与表面状况有关；
（3）受控热核反应装置中等离子体与器壁表面的相互作用机理必须考虑表面特性等。
表面物理学已同冶金学、材料科学、半导体物理学、催化、真空物理等领域紧密地结合在一起，而在表面物理学的实验研究中所涉及的方法和设备更与广泛的理论和技术成果相联系，故表面物理学是一门综合性很强、重要性日益显著的学科。
表面电子结构-正文
电子态在空间的位置分布（波函数），电子态的能量分布（态密度）以及能量E与波矢k的关系(能谱)E(k)总称为电子结构。表面电子结构则研究固体表面对电子结构的影响。这种研究是表面物理的一个重要部分，因为固体的许多物理性质，例如电子发射、吸附和催化等都与表面电子结构有着密切联系。现在半导体集成电路中，元件的集成度越来越大，表面与体积之比随之增高，因而表面（或界面）电子性质本身已经成为决定的因素。
表面态表面的存在破坏了晶体原有的三维平移周期性，因而三维波矢不再是表征电
子态的好量子数。И.E.塔姆于1932年最先提出,在周期性势场中断的表面,存在局域的表面电子态。在平行于表面的平面里，仍然存在二维的平移周期性(可能与晶体原来的周期性相同,也可能因为表面原子排列的畸变使它们的排列具有更大的周期──再构现象),因此,表面电子能谱E(k)中的波矢k限制在二维布里渊区内，是平行于表面的二维波矢。
表面上的原（离）子与周围原（离）子之间的相互作用,例如配位数,以及一对原(离)子的电子态之间相互作用强弱，均不同于内部。为了降低由于电子密度突然变化所引起的动能增加，在表面附近又会发生电子向真空区的迁移。因此电子所处的表面势场与三维晶体内部有很大的差别，电子态也具有一种特殊的局域性状─表面态。电子的波函数基本上集中在表面区域，例如一两个原子层厚度以内；电子的能量落在具有同样的二维波矢和波函数具有同样的对称性的固体（内部）能带（即所谓三维能带在二维布里渊区的投影）的能隙里，因而这种电子态的波函数不可能延伸到固体内部，而是向体内逐渐衰减，一直到零。表面态的存在使表面附近的局域态密度与内部不同。尤其是当这些表面态的能量很靠近费密能量（见费密面）时，会很显著地影响固体的表面性质。例如表面态（与延展遍及于整个固体内部的布洛赫态相比）与外来吸附原子的价电子态之间的波函数重叠较大,且能量又比较相近，因而相互作用强,容易形成稳定的吸附态。在共价晶体（如Si等）的表面上，由于原子间的共价键被部分地切断，在真空区域形成了所谓悬键表面态，这是W.肖克莱提出的。这些悬键表面态为了降低自由悬键带来的能量而相互满足，常常导致表面原子排列的畸变，如再构。
实验研究方法表面电子分布变化引起的表面电场改变是导致功函数随着表面状况(取向、吸附和覆盖等)而变化的重要原因。从功函数的测量可以得到有关表面电子结构的信息。60年代末以来的十多年里，由于超高真空(＜10-10托)，表面结构与化学分析（低能电子衍射、俄歇电子谱等）与紫外和X射线光电子谱（UPS和XPS）为基础的各种电子态探测技术的发展，获得了许多关于固体表面的可靠的数据。光电子谱测量中，利用一定能量和动量的入射光子激发固体中的电子，使之逃逸出固体表面，然后测量出射电子的能量分布和方向（角度分辨）分布。根据能量和动量守恒，不难确定初态（固体内的）电子的能带结构E(k)。当出射电子能量在约10～102eV范围时,由于电子的平均自由程（在金属中）仅相当于一两个原子层厚度，所以这是一个探测表面电子能带的理想工具。入射能量较高的光电子谱还可以探测由于价电子分布改变引起的表面原子的内层能级的化学位移。这个内层能级位移往往被用来作为认证一些特殊的组态（结合键、配位数等）在表面上形成的标志。
理论研究方法研究表面电子结构所用的一个重要理论模型是所谓凝胶模型。这模型忽略正离子实电荷在空间的点阵分布,把它看成是均匀地分布在z=(-∞,0)的半无穷空间里，然后研究电子的（一维）运动状态，尤其是在表面,即z=0附近的行为。利用局域密度泛函近似描写电子间的交换和关联作用，使问题简化为单电子问题。所得到的功函数、表面能等性质与简单金属的实验结果相当接近。当然密度泛函方法只限于考虑基态电子结构，而局域密度泛函近似又是均匀电子气条件下所得到结果。在表面这种电子密度急剧变化的情况下，适用程度究竟如何，难以预料。所以希望能够把更准确一些的多体理论方法应用到凝胶模型的研究上，以检查理论方法的准确程度，并加以改进。
另一类的理论工作是把研究三维晶体电子结构中常见的能带计算方法推广到固体表面的研究中去，处理一些原子排列十分接近真实固体表面的物理系统。对半导体或离子晶体的表面，常用以原子波函数线性叠加为基础的半经验方法或者自洽地从头计算的方法，均能给出相当好的结果。金属表面研究中，由于较强的电子迁移，自洽地计算是十分必要的。从1975年完成第一个简单金属(Na)表面的电子能带的自洽计算以来，短短六七年间已有迅速发展：从简单金属推广到过渡金属，从理想的表面推广到有再构、吸附和其他原子覆盖等比较复杂的表面和界面问题。
第八部分 扩散 在固体中，由于温度作用，原子会产生迁移现象，即原子从原来的平衡位置迁移到新的平衡位置。虽然单个原子的迁移是随机的，但一定条件下大量原子的迁移有可能造成原子的宏观流动，这种现象称为扩散。 扩散是由于大量原子的热运动引起的物质宏观迁移（物质内部由于热运动而导致原子或分子迁移的过程）。 物质中的粒子由于热力学的影响，自发地进行迁移以达平衡的现象称为扩散。 在固体中，原子或分子的迁移只能靠扩散来进行，扩散是固体中物质传输的唯一方式。 说明：物质的迁移可通过对流和扩散两种方式进行，气体、液体中一般是通过对流和扩散来实现的，但固体中不发生对流，扩散是唯一的物质迁移方式。 扩散与材料在生产使用中的许多重要物理化学过程有密切关系，固体中许多反应：合金的相变、粉末烧结、离子固体的导电、外来分子向聚合物的渗透都受扩散的控制。 对扩散的研究主要有两方面： （ⅰ）对定向扩散流建立数学方程式，总结宏观规律。 已知边界条件、扩散系数条件下，计算浓度分布情况； 通过实验，利用公式求出扩散系数。 （ⅱ）搞清微观本质，探讨微观运动与扩散系数的关系，分析影响扩散的原因。 8.1 扩散现象及分类 扩散现象 晶体中扩散的基本特点 从不同角度对扩散进行分类 ① 按浓度均匀程度分 互扩散：有浓度差的空间扩散 自扩散：没有浓度差的空间扩散 ② 按扩散方向分 上坡扩散：由高浓度区向低浓度区的扩散（顺扩散） 下坡扩散：由低浓度区向高浓度区的扩散（逆扩散） ③ 按原子的扩散方向分 体扩散：在晶粒内部进行的扩散 表面扩散：在表面进行的扩散 晶界扩散：沿晶界进行的扩散 其中，表面扩散和晶界扩散又称短路扩散，其扩散速度比体扩散快得多。此外，还有沿位错线的扩散、沿层错面的扩散等。 原子的扩散激活能 原子被束缚在其平衡位置上的势垒称为迁移激活能，其大小不仅与原子间的结合力有关，还与原子迁移的微观机制有关。大量原子迁移的宏观效果就是扩散，故原子的迁移激活能就是原子的扩散激活能。 材料中原子在晶体点阵平衡位置附近进行无规则热振动，由于存在能量起伏，某些原子的能量超过了周围原子对它束缚的势垒，即可偏离原来位置，迁移到一个新的位置，发生原子迁移。 晶体的各向异性使其质点扩散也具各向异性，结构的对称性、周期性限制着质点每一步迁移的方向和自由程。 8.2 扩散第一定律 扩散的宏观理论主要研究扩散现象的宏观规律，即扩散物质的浓度随空间及时间的变化规律。 这里的宏观通常是指微米级的空间尺度，是相对纳米尺度而言的。 扩散宏观理论的基础是两个扩散定律。 研究扩散首先遇到的是扩散速率问题，德国物理学家菲克在1855年提出了菲克第一定律，解决了这个问题。 “在稳态扩散（）的条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质的通 量 与该截面处的浓度梯度成正比。” 稳定扩散：指在垂直于扩散方向上的任一平面上，单位时间内通过该平面内单位面积的粒子数一定。 dt dc J dx dc
表面扩散 是指原子、离子、分子以及原子团在固体表面沿表面方向的运动。当固体表面存在化学势梯度场，扩散物质的浓度变化或样品表面的形貌变化时，就会发生表面扩散。 表面原子是在周期势中断的平面上移动，因而，表面扩散与体内扩散固然有许多相同之处，但也有自身特点。主要是扩散率高，在晶须生长实验中，观察到的表面扩散率高达1厘米2/秒,这已与气相扩散过程相近，表面扩散过程与表面的取向有关，用场离子显微镜观察到单个铼原子在铱的(111)、(113)平台上的异质表面扩散激活能分别为0.52eV及1.17eV，差别很大；表面状态如吸附物质的存在，也会强烈影响表面扩散。 热振动能量的涨落可能使表面原子获得足够的能量克服表面势垒，变成近邻位置上的吸附原子，这是最简单的完整晶体表面自扩散。在实际晶体表面上存在各种类型的缺陷，根据表面条件，表面原子可以在平台上或沿台阶移动；表面原子也可填充到表面空位上，引起空位的迁移；或发生更加复杂的扩散过程。 研究表面扩散的实验方法主要是放射性示踪、物质传递、场离子显微镜及场发射等技术。人们运用这些实验方法测定表面扩散系数,用以研究表面动力学过程,确定表面势。表面扩散与烧结、晶体生长、薄膜工艺、蠕变等密切相关。但对表面扩散过程机理的了解有待深入。 表面物理学 发展极为迅速的领域。 表面物理学是固体表面附近的几个原子层内具有许多异于体内的 对称性质。表面物理学研究在超高真空下（10-10～10-11Torr），这 几个原子层内原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来 原子或分子以及在表面几个原子层内的外来杂质的电子状态和其 他物理性质。实验上是通过电子束、离子束、原子束、光子、热、 电场和磁场等与表面的相互作用而得到有关表面结构、表面电子 态、吸附物的品种、结合的类型和成键的取向等信息。例如：由 于偏析造成化学成分与体内不同，原子排列情形不同，表明能吸 附外来原子或分子形成有序或无序的覆盖层等 表面物理学-内容 表面结构 理想的晶体表面具有二维周期性，其单位网格由基矢a1和a2决定,根据对称性的要求，可能形成的二维单位网格有五种，如图1所示，这五种格子常称为二维布喇菲格子。由于表面原子受力的情况与体内不同,或由于有外来原子的吸附，最表面层原子常会有垂直于或倾斜 于表面的位移，表面下的数层原子也会有相应的垂直或横向位移，因而表面单位网格的基矢
扩散的原理及主要应用 1. 扩散原理 扩散是一种物质传输的过程，其基本原理是物质由高浓度区域自发地向低浓度区域传播，直到达到平衡状态。主要有以下几种扩散方式： •自由扩散：物质分子随机运动，通过相互碰撞传播，直到达到浓度均一的状态。 •表面扩散：物质在材料的表面上传播，通常发生在材料的晶界、孔隙或界面处。 •体扩散：物质通过固体材料内部的晶粒间传播，形成浓度梯度。 •液相扩散：物质通过液体传播，如溶质在溶液中的传播。 •气相扩散：物质通过气体传播，如气体分子在气相中的自由运动。 扩散的速率取决于浓度梯度、温度、材料性质和扩散距离等因素。通常使用菲克定律描述扩散速率，即扩散通量和浓度梯度成正比。 2. 扩散的主要应用 2.1. 材料科学领域 扩散在材料科学领域有着广泛的应用，为研究材料的结构和性能提供了重要手段。 •材料合成：扩散可以用于合成新材料，如在固相反应中，原料物质通过扩散相互作用，形成新的化合物。 •相变研究：扩散在相变过程中起关键作用，如固态相变中，扩散可以影响相界面的移动和晶粒的长大。 •材料改性：通过控制扩散过程，可以改变材料的性能，如通过表面扩散在材料表面形成保护层，提高耐蚀性。 •扩散焊接：扩散焊接是一种金属焊接方法，通过金属之间的扩散作用实现接头的形成，具有高强度和高密度的特点。 2.2. 生物学领域 在生物学领域，扩散在生物体内物质交换和生命过程中起着重要作用。 •细胞内扩散：细胞内许多生化反应和物质交换过程都依赖于扩散，如细胞膜上的离子和小分子物质的跨膜扩散。 •气体交换：在呼吸过程中，氧气和二氧化碳通过肺泡和血液中的扩散过程进行气体交换。
•养分吸收：在消化系统中，养分通过细胞膜上的扩散过程吸收到血液中，被输送到全身各个组织。 •药物传递：药物在体内的吸收、分布和代谢过程中往往涉及到扩散，影响药物的治疗效果和毒副作用。 2.3. 地球科学领域 在地球科学研究中，扩散有助于解释地表和地下过程，并提供了理解自然界现 象的基础。 •大气扩散：大气中的污染物和气体通过扩散过程在大气中传播和稀释，影响空气质量和卫生状况。 •土壤扩散：土壤中的养分和污染物通过扩散过程对植物生长和土壤质量产生影响，如土壤盐分的扩散导致土壤盐渍化问题。 •地下水扩散：地下水中的污染物在地下水系统中通过扩散作用传播，影响水资源的质量和可持续利用。 •岩石变质：岩石中的化学元素通过扩散过程在岩石中传播，导致岩石的变质和矿床的形成。 总之，扩散作为一种重要的物质传输过程，不仅在材料科学领域有着广泛应用，还在生物学和地球科学研究中起着重要作用。通过深入研究扩散的原理和应用，可以为相关领域的科学发展和技术进步提供有益的参考。
1扩散定律及其应用 物质中的原子随时进行着热振动，温度越高，振动频率越快。当某些原子具有足够高的能量时，便会离开原来的位置，跳向邻近的位置，这种由于物质中原子（或者其他微观粒子）的微观热运动所引起的宏观迁移现象称为扩散。 在气态和液态物质中，原子迁移可以通过对流和扩散两种方式进行，与扩散相比，对流要快得多。然而，在固态物质中，扩散是原子迁移的唯一方式。固态物质中的扩散与温度有很强的依赖关系，温度越高，原子扩散越快。实验证实，物质在高温下的许多物理及化学过程均与扩散有关，因此研究物质中的扩散无论在理论上还是在应用上都具有重要意义。 物质中的原子在不同的情况下可以按不同的方式扩散，扩散速度可能存在明显的差异，可以分为以下几种类型。 ①化学扩散和自扩散：扩散系统中存在浓度梯度的扩散称为化学扩散，没有浓度梯度的扩散称为自扩散，后者是指纯金属的自扩散。 ②上坡扩散和下坡扩散：扩散系统中原子由浓度高处向浓度低处的扩散称为下坡扩散，由浓度低处向浓度高处的扩散称为上坡扩散。 ③短路扩散：原子在晶格内部的扩散称为体扩散或称晶格扩散，沿晶体中缺陷进行的扩散称为短路扩散，后者主要包括表面扩散、晶界扩散、位错扩散等。短路扩散比体扩散快得多。 ④相变扩散：原子在扩散过程中由于固溶体过饱和而生成新相的扩散称为相变扩散或称反应扩散。 本章主要讨论扩散的宏观规律、微观机制和影响扩散的因素。 1.1扩散第一定律 在纯金属中，原子的跳动是随机的，形成不了宏观的扩散流；在合金中，虽然单个原子的跳动也是随机的，但是在有浓度梯度的情况下，就会产生宏观的扩散流。例如，具有严重晶内偏析的固溶体合金在高温扩散退火过程中，原子不断从高浓度向低浓度方向扩散，最终合金的浓度逐渐趋于均匀。 菲克（A.Fick）于1855年参考导热方程，通过实验确立了扩散物质量与其浓度梯度之间的宏观规律，即单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的物质量（扩散通量）与该物质在该面积处的浓度梯度成正比，数学表达式为 （3.1）
凝固 1.凝固：是指物质有液态至固态的转变。 2.结晶:凝固后的固体是晶体，则称之为结晶。 3.近程有序：在非晶态结构中，原子排列没有规律周期性，原子 排列从总体上是无规则的，但是，近邻的原子排列是有一定的规律的这就是“短程有序” 4.结构起伏：液态结构的原子排列为长程无序，短程有序，并且短 程有序原子团不是固定不变的，它是此消彼长，瞬息万变，尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏。 5.能量起伏：是指体系中每个微小体积所实际具有的能量，会偏离 体系平均能量水平而瞬时涨落的现象。 6.过冷度：相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，平 衡相变温度与该实际转变温度之差称过冷度。 7.均匀形核：新相晶核是在母相中存在均匀地生长的，即晶核由液 相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响。8.非均匀形核：新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液 相中的杂质或外来表面形核。 9.晶胚：当温度降到熔点以下，在液相中时聚时散的短程有序原子 集团，就有可能形成均匀形核的“胚芽”或称晶胚。 10.晶核：物质结晶时的生长中心.又称晶芽. 11.亚稳相：亚稳相指的是热力学上不能稳定存在，但在快速冷却成 加热过程中，由于热力学能垒或动力学的因素造成其未能转变为稳定相而暂时稳定存在的一种相。 12.临界晶粒：半径为*r的晶核称为临界晶核。 13.临界形核功：形成临界形核所需要的功。 14.光滑界面：界面的平衡结构应是只有少数几个原子位置被占据， 或者极大部分原子位置都被固相原子占据，及界面基本上为完整平面，这时界面呈光滑界面。 15.粗糙界面：界面的平衡结构约有一半的原子被固相原子占据而另 一半位置空着，这是的界面称为微观粗糙界面。 16.温度梯度：是指液相温度随离液-固界面的距离增大而增大或降低。 17.平面状：在正温度梯度下，纯晶体凝固时，粗糙界面的晶体其生 长形态呈平面状，界面与相面等温而平行。 18.树枝状：在负温度梯度下，纯晶体凝固时，处于温度更低的液相 中，是凸出的部分的生长速度增大而进一步伸向液体中，这种情况下液-固界面会形成许多伸向液体的分支的生长方式。
1.何为本征扩散和非本征扩散?并讨论两者之间的区别。 本征扩散：是指空位来源于晶体的本征热缺陷而引起的迁移现象。本征扩散的活化能由空位形成能和质点迁移能两部分组成，高温时以本征扩散为主。 非本征扩散：是由不等价杂质离子的掺杂造成空位，由此而引起的迁移现象。非本征扩散的活化能只包含质点迁移能，低温时以非本征扩散为主。 2.何为晶粒生长与二次再结晶?简述晶粒生长与二次再结晶的区别，并根据晶粒的极限尺寸讨论晶粒生长的过程。 晶粒生长是无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。在坯体内晶粒尺寸均匀地生长，晶粒生长时气孔都维持在晶界上或晶界交汇处。二次再结晶是少数巨大晶粒在细晶消耗时的一种异常长大过程，是个别晶粒的异常生长。二次再结晶时气孔被包裹到晶粒内部。二次再结晶还与原料粒径有关。 造成二次再结晶的原因：原料粒径不均匀，烧结温度偏高，烧结速率太快。 防止二次再结晶的方法：控制烧结温度、烧结时间，控制原料粒径的均匀性，引入烧结添加剂。 3.简述产生非化学计量化合物结构缺陷的原因，并说明四种不同类型非化学计量化合物结构缺陷的形成条件及其特点。 产生原因：含有变价元素，周围气氛的性质发生变化。 阴离子空位型：在还原性气氛下，高价态变成低价态，n型半导体。 阳离子填隙型：在还原性气氛下，高价态变成低价态，n型半导体。 阴离子填隙型：在氧化性气氛下，低价态变成高价态，p型半导体。 阳离子空位型：在氧化性气氛下，低价态变成高价态，p型半导体 4. 试从结构上比较硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃的区别。 硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃的区别：①硅酸盐晶体中硅氧骨架按一定的对称规律有序排列；在硅酸盐玻璃中硅氧骨架排列是无序的。②在硅酸盐晶体中骨架外的金属离子占据了点阵的一定位置；而在硅酸盐玻璃中网络变性离子统计地分布在骨架的空隙内，使氧的负电荷得以平衡。③在硅酸盐晶体中只有当外来阳离子半径与晶体中阳离子半径相近时，才能发生同晶置换；在硅酸盐玻璃中则不论半径如何，骨架外阳离子均能发生置换，只要求遵守电中性。④在晶体中原始组成(氧化物)相互问有简单的固定数量比例；而在玻璃中氧化物几乎以任意比例混合。 5. 试比较固相烧结与液相烧结之间的相同与不同之处，并讨论产生溶解一沉淀传质的条件与特点。 固相烧结与液相烧结之间的相同之处：烧结的推动力都是表面能，烧结过程都是由颗粒重排、气孔填充和晶粒生长等阶段组成的。不同之处：由于流动传质速率比扩散速率快，因而液相烧结致密化速率高，烧结温度较低。液相烧结过程的速率还与液相数量、性质(粘度、表面张力等)、液相与固相的润湿情况、固相在液相中的溶解度等因素有关。影响液相烧结的因素比固相烧结更为复杂。溶解一沉淀传质的条件是：有可观的液相量，固相在液相中的溶解度大，液相能润湿固相；特点是：在颗粒的接触点溶解到平面上沉积，小晶粒溶解到大晶粒处沉积，传质的同时又是晶粒的生长过程。 6. 二次再结晶与晶粒生长有何异同？生产中避免二次再结晶的方法有哪些？ 答：相同点:（1）两者推动力均为界面两侧质点的吉布斯自由能之差；（2）进行方 式都是通过界面迁移。 不同点：（1）前者是个别晶粒异常生长，后者是晶粒尺寸均匀生长；（2）前者气孔被包裹到晶粒内部，后者气孔维持在晶界交汇处。 生产中避免二次再结晶的方法有：（1）合理选择原料的细度，提高粉料粒度的均匀性；（2）
一烧结基本原理 烧结是一种将粉末状物质通过加热处理，使其颗粒间发生结合，形成 致密坚固固体的加工工艺。烧结的基本原理是利用粉末颗粒间的表面扩散 和粘结现象。 粉末颗粒间的表面扩散是指在高温下，粉末颗粒表面的原子或离子因 能量梯度而发生位移，从而扩散到颗粒表面。在颗粒接触面上，颗粒表面 扩散相遇时，就会发生粒间结合。而粘结是颗粒间相互吸附，并形成新的 键合力。 烧结的主要工艺分为两个阶段：初级焙烧和二次烧结。 初级焙烧是将粉末颗粒在升温的重力作用下接触、聚结和烧结的过程。通过初级焙烧可以使粉末颗粒间的结合力增强，颗粒之间的间隙减小，从 而增加烧结体的密实性。在初级焙烧过程中，粉末颗粒表面的扩散使颗粒 间形成颗粒接触，再通过粘结力增强颗粒间的粘结，并最终使粉末颗粒相 互结合成为一体。 二次烧结是在初级焙烧的基础上进行的再烧结过程。在初级焙烧中已 形成的颗粒结合体在二次烧结中会继续收缩，使得颗粒之间的间隙进一步 减小，从而提高烧结体的致密性。在二次烧结的过程中，粉末颗粒表面扩 散再次发生，使得原本疏松的颗粒结合体进一步密实与凝结。 烧结的基本原理在于高温下的颗粒表面扩散和粘结，这些现象使粉末 颗粒相互结合成为一体，从而形成坚固致密的烧结体。烧结常用于金属和 陶瓷等材料的加工过程中，可以改善材料的强度、致密性、耐磨性和导热 性等性能。烧结还可以制备各种复杂形状和高精度的工件，广泛应用于航
空航天、汽车、机械、电子等领域。同时，烧结也是一种高效的资源利用方式，可以回收再利用废弃粉末，减少资源浪费。 总之，烧结的基本原理是利用粉末颗粒间的表面扩散和粘结现象，在高温下使粉末颗粒相互结合成为一体，从而形成致密坚固的固体。烧结是一种重要的材料制备工艺，具有广泛的应用前景和重要的经济意义。
表面活性剂物理化学教案中的表面活性剂的 表面扩散与扩散动力学 表面活性剂是一类能够在液体表面降低表面张力的化合物。在化学课程中，表面活性剂常作为重要的研究对象之一。本教案将针对表面活性剂的表面扩散与扩散动力学进行探讨。 一、表面活性剂的特性概述 表面活性剂具有以下特性： 1. 降低表面张力：表面活性剂能够在液体表面降低表面张力，使液体分子在界面上分布均匀，形成致密的表面膜。 2. 分散和乳化作用：表面活性剂能够分散非极性物质，使其均匀分布于极性溶剂中，并形成胶体溶液。同时，表面活性剂还能够乳化油水混合物，使其稳定地分散在一起。 3. 渗透和润湿性：表面活性剂能够渗透物质的表面层，提高物质的渗透性。此外，表面活性剂还具有良好的润湿性，能够使液滴在固体表面上均匀分布而不形成球状。 4. 表面扩散和扩散动力学：表面活动剂和两种或两种以上液体接触的界面上，易于在界面上扩散，但传统上不易进入的液体慢慢混合。在表面活性剂的共同作用下，界面上分子扩散变得容易，液体能够迅速均匀地混合。 二、表面活性剂的表面扩散
表面扩散是指表面活性剂分子从固体表面或液体表面向界面内扩散的过程。它是表面活性剂物理化学性质的重要体现。 1. 表面扩散的机制 表面扩散可以分为两种机制：纵向扩散和横向扩散。 （1）纵向扩散：即表面活性剂分子从液体表面向界面内扩散。这种扩散是由于分子自热运动产生的，使得表面活性剂分子在界面上进行不规律的运动，从而扩散到界面内部。 （2）横向扩散：即表面活性剂分子在界面上由一点向两侧方向扩散。横向扩散一般发生在界面上有浓度梯度的情况下，此时表面活性剂分子在浓度梯度的作用下，从高浓度区向低浓度区发生扩散。 2. 表面扩散的影响因素 表面扩散的速率受到以下因素的影响： （1）温度：温度越高，表面活性剂分子的热运动越剧烈，表面扩散的速率越快。 （2）浓度：表面活性剂的浓度越高，分子间的相互作用越强，表面扩散速率越慢。 （3）界面形态：界面的形态会影响表面扩散的速率。比如，界面上存在起皱、分层等情况时，表面扩散变得困难。
物理扩散的概念 物理扩散是指物质在非均匀的条件下，由高浓度区域向低浓度区域自发地传播的过程。它是一种不需要外界干预即可发生的自然现象，是由于分子、离子或原子的热运动所引起的。 物理扩散的机制可以通过两个不同的模型来解释：粒子模型和连续模型。 首先，粒子模型认为物质是由许多粒子组成的，这些粒子在空间中运动并与周围粒子相互碰撞。当物质从高浓度区域向低浓度区域扩散时，高浓度区域的粒子更加频繁地与周围粒子碰撞，从而使粒子在空间中的分布逐渐均匀。粒子模型描述了扩散过程中的微观行为，可以用布朗运动来解释。布朗运动是指在无规则碰撞的作用下，微观粒子由于热运动而发生的不规则的运动。在粒子模型中，扩散的速率与温度、浓度差和粒子的大小有关。 另一种解释物理扩散的模型是连续模型，即通过微分方程来描述扩散过程。连续模型认为扩散是由于反应物在高浓度区域与低浓度区域之间的浓度梯度引起的。根据菲克定律，扩散速率与浓度梯度成正比，并与扩散系数有关。连续模型可以用偏微分方程（如菲克方程）来描述，从而可以解析地求得扩散的行为。 除了这两种基本模型，物理扩散还受到一些其他因素的影响。其中一个重要的因素是表面扩散。表面扩散是指在固体表面上发生的扩散过程。由于表面的存在，扩散速率可以显著增加。这是由于反应物在表面上吸附并扩散的过程较快，而在
体内的扩散速率较慢。此外，温度也是影响物理扩散的重要因素之一。一般来说，温度升高会加快分子的热运动，从而增加物理扩散的速率。 物理扩散在自然界和工业领域中都有广泛应用。在生物学中，物理扩散是许多生物过程的基础，如细胞中的物质传递、气体交换和离子传递等。在环境科学中，物理扩散也是解释大气中污染物传播的重要机制之一。在工业领域，物理扩散被广泛应用于药物输送、化学反应和材料的制备中。 总而言之，物理扩散是物质自发地从高浓度区域向低浓度区域传播的过程。它可以通过粒子模型和连续模型来解释，受到温度、浓度差、粒子大小和表面的影响。物理扩散在自然界和工业领域中具有广泛的应用。不断深入研究物理扩散的机制和规律对于理解各种物质传输过程以及开发新的应用具有重要意义。
扩散的影响因素，超详细 影响扩散的因素 V温度 由扩散系数的表达式 温度越高，原子的能量趣大，越容易迁移,因此扩散系数越大。 两边取对数,可得 InD = lnD&一弹 显然，InD与1/T呈直线关系。 温度是影响扩散速率的最主要因素。温度越高，原子热激活能量越大，越易发生迁移，扩散系数也越大。 例1 : C在Y-F G中的扩散系数,T : 1200-1300K D增加了约3倍 D1200=1.61*10-11m2/s D1300=4.67*10-11m2/s 例2 :将红墨水滴入同体积的冷水和热水中，明显观察到热水的扩散速度大于冷水。 2.成分的影响
(1 )组元特性 ①固溶体中组元的原子尺寸相差愈大，畸变能就愈大，溶质原子离开畸变位置进行扩散愈容易,则Q愈小，而D值愈大； ②组元间的亲和力愈强，即电负性相差愈大，则溶质原子的扩散愈困难； ③通常溶解度越小的元素扩散越容易进行； ④在以一价贵全属为溶剂的合全中，若溶质元素的原子价大于溶剂，则其激活能小于基体全属的扩散激活能,并且溶质的原子序数愈大，激活能愈小。 (2)组元浓度 溶质浓度对扩散系数的影响是通过Q和DO两个参数起作用的。Q值增加，DO值也増加；而Q值减小，DO值也减小。 例3 :增大Ni、Mn、C在丫-Fe中浓度，D増大；增大Ni在Au-Ni中含量,D减小。 (3)第三组元的影响 合全钢中的合全元素对碳在奥氏体中扩散系数的影响比较复杂，有的促进扩散，有的阻碍扩散。 例4 :对y-Fe，促进扩散元素：Co ;阻碍扩散元素：M。、W
3、晶体结构 晶体结构对扩散有影响，有些全属存在同素异构转变，当它们的晶体结构改变后,扩散系数也随之发生较大的变化。 (1 )结构的类型 b. —般认为，位错对扩散速率的影响与晶界的作用相当，有利于原子的扩散，但由于位错与间隙原子发生交互作用，也可能减慢扩散； c. 晶界、表面和位错等对扩散起着快速通道的作用，这是由于晶体缺陷处点阵畸变较大，原子处于较高的能量状态，易于跳跃，故各种缺陷处的扩散激活能均比晶内扩散激活能小，加快了原子的扩散。 4、化学成分 a. 从扩散的微观机制可以看到,原子跃过能垒时必须挤开近邻原子而引起局部的点阵畸变，也就是要求部分地破坏邻近原子的结合键才能通过； b. 扩散系数的大小除了与组元特性有关外，还与溶质的浓度有关； c. 第三组元(或杂质)对二元合全扩散原子的影响较为复杂，可能提高其扩散速率，也可能降低，或者几乎无作用。 5、应力的作用 a•如果合全内部存在着应力梯度，应力就会提供原子扩散的驱动力，那么，即使溶质分布是均匀的，也可能出现化学扩散现象； b.如果在合全外部施加应力，使合全中产生弹性应力梯度,这样也会促进原子向晶体点阵伸长部分迁移,产生扩散现象。
探究微观界面现象在表面化学反应动力学中 的应用 表面化学反应动力学在现代化学研究中具有重要的地位，主要是探究化学反应在介质界面上发生的情况。为了研究反应分子在界面上的动力学行为，我们需要了解微观界面现象并将其应用于表面化学反应动力学中。 微观界面现象 微观界面现象是指在两种介质之间存在的界面现象，其中一种介质为液体或气体，另一种介质为液体、气体或固体。微观界面现象主要有两个重要的特征：一是存在表面张力；二是存在表面扩散。 表面张力是由于分子间相互作用力的存在，使得表面各部分的分子相互靠近，导致表面张力的存在。表面扩散是指表面上的分子以不同的方式向各个方向移动，这是由于表面张力的存在，导致分子在表面上的移动。 表面化学反应动力学中的应用
在表面化学反应中，反应分子之间的相互作用主要取决于分子 在界面上的行为。因此，了解微观界面现象是研究表面化学反应 动力学的基础。在表面化学反应中，界面分子的行为主要涉及表 面吸附、表面扩散和表面反应等方面。 表面吸附是指反应分子吸附在界面上的过程。在该过程中，反 应分子与表面分子之间存在相互作用力，当反应分子的解离度较 高时可以发生吸附反应。表面吸附反应通常具有高反应速率和高 选择性。 表面扩散是指在界面上分子的移动。这种移动通常发生在反应 分子在表面吸附后或从表面解离后的过程中。表面扩散的速率受 到界面分子的浓度、温度和表面分子间的相互作用力等因素的影响。表面扩散的速率越快，反应速率越快。 表面反应是指在界面上反应分子发生反应的过程。表面反应按 照反应机理可以分为吸附控制和扩散控制两种类型。在吸附控制 反应中，反应速率受到分子吸附速率的限制；在扩散控制反应中，反应速率受扩散速率的限制。
物质交换过程中的表面扩散现象 在日常生活中，我们常常面临着物质交换的过程，无论是化学反应、热传导等等，都能看到物质在不同的条件下发生扩散现象。其中，表面扩散是一种很重要的现象，它对于许多工业和科学领域有着很大的影响。本文将重点探讨物质交换过程中的表面扩散现象。 表面扩散的定义 表面扩散是指物质分子或原子由材料表面向内部扩散的过程。这种过程又被称 作“材料表面的自扩散”，它包括了一个跨越表面的阶段，从而使得物质从表面向内部移动。具体地说，当一个材料表面上的原子或分子遇到空隙或缺陷时，它就有可能进入这些空隙或缺陷里，并且继续向内部扩散。这个过程不像体积扩散那么迅速，但在长时间的处理过程中，它也能发挥很重要的作用。 表面扩散的原因 表面扩散的原因一般与以下几个方面有关： 1. 表面能 表面能是物质表面上每个分子或原子处所需要的能量，它是形成表面能源的一 种表征。当表面能较高时，表面分子或原子就倾向于跨越表面向内部扩散。因为表面能高表示表面的能量越大，分子或原子越靠近表面时，所受到的吸引力就越大，这样就促进了它们向表面移动，最终跨越表面。 2. 缺陷 缺陷广泛存在于材料结构中，包括晶界、孔洞、电子缺陷等。这些缺陷提供了 分子或原子跨越表面的通道，从而促进了扩散的过程。 3. 温度
表面扩散与温度直接相关，常温下表面扩散的速率较慢，但当温度增加时，表面扩散的速度也会增加。这是因为温度升高会增加分子或原子的热运动能，从而促进分子或原子向内部的移动，并加速表面扩散的速度。 表面扩散在工业和科学领域的应用 表面扩散在很多科学和工业领域都有着广泛的应用，以下是一些典型的应用： 1. 金属加工 金属加工中表面扩散的应用比较广泛，用于改变金属的化学成分，以调整合金的性质。例如，在高温下，铝和锌可以通过表面扩散与铜发生反应，形成一种强度更高、更抗腐蚀的合金。 2. 真空技术 真空技术中的表面扩散作为一种理论模型被广泛使用。例如，在真空容器的壁上会产生分子吸附层，分子在该层内连续地扩散，并在真空中相互碰撞，从而形成真空气体的各种参数。 3. 半导体材料制造 表面扩散在半导体材料制备中发挥了重要作用，半导体中杂原子的掺杂通常都是通过表面扩散来完成的。掺杂后，半导体中的电阻率会发生变化，但在表面扩散的过程中，要注意掺杂浓度和掺杂深度等参数。 总结 表面扩散是物质交换过程中的重要现象，与表面能、缺陷和温度有关。它在制造、材料科学、半导体材料等领域中具有广泛的应用。理解表面扩散的过程可以帮助我们更好地理解物质在不同环境下的行为，从而更好地应用于实际生产和科学研究。
晶界扩散,表面扩散,晶格扩散 一、概述 晶体的扩散是指物质在固体中的原子或离子通过空位、晶界或表面跳跃运动而实现的进出过程。它是固体材料中重要的物质迁移方式，直接影响着材料的物理性质和工程性能。晶体扩散可分为晶格扩散、晶界扩散和表面扩散。本文将对这三种扩散进行系统地分析和探讨。 二、晶格扩散 1. 晶格扩散的概念 晶格扩散是指晶体内部原子或离子在晶体点阵结构中进行跳跃运动，从而造成物质扩散的过程。其过程涉及到晶体中原子在原子位点、晶格间隙和空位之间的迁移。 2. 晶格扩散的因素 晶格扩散的速率受到晶体结构、温度和化学势的影响。晶格扩散的速率与温度成正比，与化学势成正比，与晶体结构和形态有关。在同一温度条件下，金属材料中，晶界扩散速率大于陶瓷材料，而陶瓷材料中，离子晶体的晶格扩散速率大于共价晶体。 3. 晶格扩散的应用 晶格扩散在材料科学和工程中有着广泛的应用，例如在金属材料的淬火过程中，通过控制晶体内的原子扩散，可以改变金属的物理性质和
机械性能，以满足不同的工程需求。 三、晶界扩散 1. 晶界扩散的概念 晶界扩散是指晶体内部原子或离子沿着晶界进行迁移的过程，这种扩 散方式是晶体中最主要的扩散方式之一。晶界扩散与晶格扩散相比， 离子或原子在晶界上的迁移往往速率更快。 2. 晶界扩散的影响 晶界扩散对晶体的晶粒长大和再结晶过程有着重要的影响。在高温下，晶界扩散会导致晶粒的长大和晶界迁移，从而影响材料的塑性变形和 力学性能。在金属材料的热处理过程中，晶界扩散也起着至关重要的 作用。 3. 晶界扩散的应用 在材料的界面工程中，通过控制晶界扩散，可以改变材料的界面性质，提高材料的界面结合强度和耐磨性。晶界扩散还广泛应用于半导体材 料的制备和微电子器件的制造。 四、表面扩散 1. 表面扩散的概念 表面扩散是指原子、离子或分子在晶体表面进行迁移的过程。表面扩 散与晶格扩散和晶界扩散相比，具有独特的表面形貌和表面活性，其
高分子薄膜表面形貌的控制及其机理研究 高分子薄膜是一种重要的材料，广泛应用于电子、光电、医疗、食品包装等领域。高分子薄膜的表面形貌对其性能具有重要影响，因此控制高分子薄膜表面形貌是当前研究的热点之一。本文将介绍高分子薄膜表面形貌的控制及其机理研究。 一、高分子薄膜表面形貌的控制 1.物理方法 物理方法是通过物理手段来控制高分子薄膜表面形貌的方法。其中，溅射法、蒸发法、离子束法等是常用的物理方法。这些方法可以通过控制沉积速率、沉积温度、沉积时间等参数来控制高分子薄膜表面形貌。例如，通过控制沉积速率可以得到不同的表面粗糙度；通过控制沉积温度可以得到不同的晶体结构。 2.化学方法 化学方法是通过化学反应来控制高分子薄膜表面形貌的方法。其中，自组装法、溶液法、化学气相沉积法等是常用的化学方法。这些方法可以通过控制反应物浓度、反应时间、反应温度等参数来控制高分子
薄膜表面形貌。例如，通过控制反应物浓度可以得到不同的表面形貌；通过控制反应时间可以得到不同的孔隙结构。 二、高分子薄膜表面形貌的机理研究 高分子薄膜表面形貌的形成机理是研究的重点之一。目前，已经提出 了许多机理模型，例如表面扩散模型、界面扩散模型、表面迁移模型等。这些模型都是基于高分子薄膜表面形貌的实验结果提出的，可以 用来解释高分子薄膜表面形貌的形成机理。 1.表面扩散模型 表面扩散模型认为，高分子薄膜表面形貌的形成是由于高分子链在表 面扩散引起的。高分子链在表面扩散时，会形成不同的表面形貌。这 种模型适用于高分子薄膜表面形貌的微观结构研究。 2.界面扩散模型 界面扩散模型认为，高分子薄膜表面形貌的形成是由于高分子链在界 面扩散引起的。高分子链在界面扩散时，会形成不同的表面形貌。这 种模型适用于高分子薄膜表面形貌的宏观结构研究。 3.表面迁移模型
表面效应的名词解释 一、概述 表面效应是指物质在表面以及与表面相邻的地方出现的特殊现象和性质。表面是固体、液体和气体与其他物质界面的边界面。表面效应的研究对于理解物质的微观结构和性质有着重要的意义。在化学、物理、材料科学等领域中都存在着表面效应的研究。 表面效应的研究涉及到表面现象的描述、机理的探究以及应用的开发。安全可靠、高效能的材料在工程实践中的应用越来越受到重视。研究表面效应可以促进新材料的开发，改善材料的性能，并提高其在各个领域的应用。 二、表面现象的描述 1. 表面张力 表面张力是指液体表面上发生的一种特殊现象，即液体表面上的分子间存在着的一种相互间的吸引力。这种吸引力使得液体表面尽可能的缩小表面积，形成一个尽量小的曲面。表面张力可以通过实验测定液滴在垂直平面上的形状来得到。常见的液体如水、酒精等都有表面张力现象。 2. 表面活性剂 表面活性剂是一类具有特定结构的分子，它们能够在液体表面或固液界面聚集形成单分子膜。在水中，表面活性剂的分子有亲水性头基和疏水性尾基。表面活性剂的存在能够降低液体表面的张力，使液体表面变得更为平整。常见的表面活性剂有肥皂、洗衣粉等。 3. 表面扩散 表面扩散是指物质在表面上由高浓度向低浓度扩散的现象。当物质在表面上达到一个平衡状态时，表面上的分子将不断地从高浓度处向低浓度处扩散，直到达到平衡。表面扩散是液体表面改变形状、蒸发、溶解、反应等各种过程的基础。
4. 表面修饰 表面修饰是指对材料表面进行物理或化学手段处理，以改变其表面性质和形貌的过程。例如，在金属表面形成一层氧化膜，可以增加其耐腐蚀性；在玻璃表面上涂覆一层薄膜，可以提高其透光性；在纳米颗粒表面修饰一层聚合物，可以改善其分散性。 三、表面效应的机理 表面效应的机理与物质的组成、结构以及表面特性等有关。下面以固体表面效应为例进行解释。 1. 固体表面的吸附现象 固体表面具有一定的能量状态，可以吸附其他物质。吸附分为物理吸附和化学吸附两种形式。物理吸附是指吸附分子与固体表面相互作用较弱，可以通过改变温度、压力等条件来进行控制。化学吸附是指吸附分子与固体表面形成了化学键，其结合强度较高，较难破坏。 2. 固体表面的计量 固体表面的计量是指固体表面上原子、分子的排列方式。固体表面上的原子、分子不同于内部，往往处于较高的能态。固体表面的计量对于物质的催化性能、光电性质等有着重要的影响。 3. 固体表面的形貌 固体表面的形貌不仅仅是指表面的形状，还包括表面的纹理、粗糙度等特征。固体表面的形貌对于润湿性能、光学特性、电子传输等方面都具有显著影响。通过合理控制固体表面的形貌，可以改善材料的性能和应用。 四、表面效应的应用 表面效应在许多领域都有着广泛的应用，如材料科学、化学、物理等。
扩晶的原理 扩晶（Epitaxy）是一种材料生长技术，用于在晶体中沉积最外层的一层原子或分子。通过控制沉积物与基底晶体之间的相互作用，可以在基底上形成具有一定晶体结构和组分的薄膜材料。 扩晶的原理是在基底晶体表面上形成与其具有相同或相近的晶体结构和取向的薄膜。这需要从气相或溶液中沉积的原子或分子能够在基底表面寻找到适当的位点并与基底原子或分子相匹配。 在扩晶中，基底晶体被称为衬底，而被沉积的材料则被称为外延层。外延层的厚度通常在纳米到微米量级之间。 扩晶的过程主要依赖于两种相互作用力：表面扩散和界面吸附。 表面扩散是指原子或分子在基底表面上的空位或吸附位点之间迁移的过程。这种运动是热激活的，需要有足够的能量来克服各种势垒才能进行。 界面吸附是指外延层原子或分子在基底表面上吸附的过程。这取决于外延层和基底的界面能量以及它们之间的化学亲和性。通过选择合适的外延层和衬底材料，可以使界面吸附变得更有利，从而实现更好的扩晶效果。 在扩晶过程中，通常需要控制几个关键参数来实现期望的晶体生长。其中包括沉
积温度、压力、气体成分、衬底晶向等。 沉积温度是一个重要的参数，它会影响原子或分子的扩散速率、界面吸附动力学和表面扩散动力学。不同的材料对应不同的最佳沉积温度。 压力是另一个关键参数，它会影响原子或分子的扩散速率和迁移距离。通过调节压力，可以改变外延层的生长速率和晶体结构。 气体成分是指在扩晶过程中使用的气体的种类和比例。不同的气体成分可以对扩晶过程中的表面吸附和扩散过程产生不同的影响。 衬底晶向是一个重要的参数，它通常被称为衬底的取向。选择合适的衬底晶向可以提供有利于晶体生长的表面结构和取向。 扩晶技术在许多领域中都有广泛的应用。在半导体工业中，扩晶被用于生产晶体管、光电二极管和激光二极管等器件。在材料科学研究中，扩晶被用于合成新材料和研究材料的结构和性质。此外，在太阳能、光学和纳米技术等领域中，扩晶也有重要的应用。 总之，扩晶是一种通过在晶体基底上沉积原子或分子来形成具有相同或相似晶体结构的薄膜的技术。它依赖于表面扩散和界面吸附的相互作用，并受到沉积温度、
硅钢脱碳的原理 硅钢脱碳是指通过一系列的热处理工艺，将中碳硅钢中的碳元素从其晶格结构中移除的过程。硅钢脱碳主要用于电机铁心材料的制造，以提高材料的导磁性能。 硅钢脱碳的原理主要涉及到以下几个方面：热力学平衡、扩散、残余应力和冷却速率。 首先，热力学平衡是硅钢脱碳的基础。在高温下，碳元素与铁原子形成化合物，如Fe3C。而低温下，碳元素会逐渐从化合物中扩散出来，返回到铁晶格中。热处理中所选择的温度和保温时间决定了达到热力学平衡所需要的条件。 其次，扩散是实现硅钢脱碳的关键机制。扩散是指原子在晶格中的迁移过程，可以通过固态扩散和表面扩散两种方式进行。 固态扩散是指原子在晶格中由高浓度区域向低浓度区域迁移的过程。在硅钢脱碳中，碳元素从高碳浓度区域（如表面层）迁移到低碳浓度区域（如内部结构）。硅钢在高温下进行保温处理时，碳元素会逐渐从硅钢的表面层向内部扩散，使硅钢的表面变贫碳，内部结构富碳，从而实现脱碳的目标。 表面扩散是指原子从材料表面进入材料内部或者从材料内部扩散到表面的过程。硅钢脱碳中，通过在高温下进行保温处理，使表面层的碳元素发生扩散，减少其浓度，从而实现脱碳。
此外，硅钢脱碳过程中还受到残余应力的影响。在加热和冷却过程中，材料会发生热胀冷缩，导致产生残余应力。这些应力会影响硅钢脱碳的过程和结果。 最后，冷却速率也对硅钢脱碳产生影响。快速冷却可以减少脱碳的时间，但可能会导致产生应力和变形。慢速冷却可以有效减少应力和变形，但需要较长的工艺时间。 综上所述，硅钢脱碳的原理主要涉及热力学平衡、扩散、残余应力和冷却速率。通过合理地控制这些因素，可以实现硅钢脱碳工艺的优化，从而提高材料的导磁性能。
电化学表面控制和扩散控制概述说明以及解释 1. 引言 1.1 概述 本文旨在对电化学表面控制和扩散控制进行概述说明和解释。电化学表面控制是指通过调节电位、电流密度等参数，实现对物质在电极表面的吸附、脱附、析出等过程的控制。而扩散控制则是指通过调节物质在溶液中的扩散速率，来实现对反应速率的控制。这两种控制方式在化学工程、材料科学、能源领域等有着广泛应用。 1.2 文章结构 本文分为五个部分，具体如下： 第一部分为引言部分，主要对本文所涉及的主题进行概述，并介绍了文章的结构和目录安排。 第二部分将重点讨论电化学表面控制。我们将首先定义和解释什么是电化学表面控制，深入探讨其原理以及相关基础理论模型。随后，我们将介绍一些常用的电化学表面控制方法和技术，并阐述其在不同领域中的重要性和意义。
第三部分将详细讨论扩散控制。我们将介绍扩散控制的基本概念和理论模型，探讨影响扩散速率的因素以及调控策略。同时，通过实际应用案例分析，我们将展示扩散控制在化学反应、材料合成等方面的重要作用。 第四部分将对电化学表面控制与扩散控制进行比较与联系。我们将分析二者之间的相关性及相互影响关系，并总结它们的共同点和差异性。此外，我们还会提供一些典型实例解释，并展望未来发展方向。 最后一部分为结论与展望部分。我们将总结文章中的主要观点和发现结果，并对现有挑战和待解决问题进行概述。同时，我们将展望未来研究方向并讨论电化学表面控制与扩散控制在科技应用领域的前景。 1.3 目的 本文旨在提供一个全面而清晰的概述关于电化学表面控制和扩散控制的主题。通过对这两种重要的物质处理方式进行详细讲解和对比分析，读者可以更好地理解其原理、方法以及在不同领域中应用时所具有的意义和价值。 2. 电化学表面控制: 2.1 定义和原理: 电化学表面控制是一种通过在电极表面施加电压或电流来实现对物质的分解、合成、氧化还原等反应的方法。它依靠电化学反应，利用外加电势来调节反应速率、
扩散处理的宝石及鉴定 扩散处理的宝石及鉴定 一、蓝宝石 高温下通过不同的致色剂的扩散，在无色或浅色刚玉表面可产生不同的颜色。使用Cr和Ni作致色剂在氧化条件可产生橙黄色扩散层，使用Co作致色剂可产生蓝色扩散层。国内市场上见到的主要是用Fe、Ti作致色剂的扩散蓝宝石。扩散处理只能在样品表面形成一层很薄的颜色层，根据这一颜色层的厚度又可将扩散分为Ⅰ型扩散处理和Ⅱ型扩散处理（“深”扩散法处理）两种。Ⅰ型扩散处理蓝宝石表面颜色层厚一般为0.004~ 0.1mm, Ⅱ型扩散处理蓝宝石表面颜色层厚度可达0.4mm。 扩散处理蓝宝石的鉴定特征： 这种宝石鉴定的依据是，扩散蓝宝石的原石是无色或浅色的天然刚玉宝石，它的颜色是用高温的方法人工扩散进入晶体的。颜色仅限于宝石的表层，而宝石的核心部分是极浅或无色的原天然刚玉宝石，宝石的颜色层可通过切磨或抛光部分或全部去除。 由于以上原因，对这种扩散宝石进行标准的宝石学测试程序，只能测定出它是刚玉宝石，甚至可以找到天然刚玉的特征。这是因为它的折射率指数、比重、多色性、双折率和硬度等物理性质与天然刚玉没有差别。它的吸收光谱和紫外线荧光也很难提供经过人工扩散处理的证据。 鉴定扩散处理蓝宝石较有效的方法是通过油浸和放大，用肉眼或显微镜下观察。 (1)肉眼或显微镜下观察 用肉眼或显微镜下观察(以下在显微镜或放大镜下单一放大观察，可提供宝石扩散热处理是在高温下进行的线索)。 1.Ⅰ型扩散处理蓝宝石为灰蓝色、蓝色表面常有一种水淋淋、灰
蒙蒙的雾状外观, 而Ⅱ型扩散处理蓝宝石则为清澈的蓝色、蓝紫色，颇似天然优质蓝宝石。 2.处理样品毛坯料表面呈现出部分反射光和表面烧结物。这些特征经抛光后可以部分或全部去除。 3.扩散处理的宝石，抛光过轻而常在抛光面上产生一种双层带状物，在放大镜下观察可见一个扩散层。 4.在扩散处理蓝宝石的表面裂纹或周围的孔隙中，常沉积有深的浓缩颜色和扩散用的色料。 5.宝石中的包裹体周围常有高压碎片，部分包裹体熔融，或金红石的“丝”部分熔融成点状，或被吸收。 (2)油浸观察 扩散热处理的宝石最实用的鉴定方法是油浸观察。将样品浸入到二碘甲烷或其他浸液中，肉眼或放大观察它的外观，具有扩散处理宝石的典型特征。 1.高凸起，由于颜色的浓缩，沿着刻面接合处和腰围明显地出现较深颜色的颜色线或者高凸起。这种颜色线要注意与宝石的色带和包体相区别，色带和包体常常不规则，另外要注意宝石亭面周围的小刻面有时也易被认为是蓝色区。 2.斑状刻面，通过热处理扩散的成品蓝宝石常出现部分刻面颜色深浅不一致的现象，整个宝石看起来颜色不均匀，有的刻面颜色深，有的刻面颜色浅，甚至近于无色，这是由于扩散处理不均匀，扩散层的厚度不同及扩散后抛光不均匀等综合作用引起的。 3.腰围边效应，对于扩散处理的宝石，在腰围处常常完全无色，整个腰围清晰可见,这种现象称为腰围边效应。腰围边效应是由于在热处理过程中，处于边缘的腰围过分熔融烧结，在抛光时不得不加重抛光而出现的现象，这种效应在油浸下观察十分明显。 4.蓝色轮廓，不论是在哪种介质的浸油中，扩散处理宝石的边缘都很清楚，常出现一个深蓝色的轮廓。这显示了这类宝石边缘有渗色层的特征。天然宝石与扩散处理宝石的对比更说明了这种现象。这两块宝石都浸在二碘甲烷中，用透射光照射，左边的天然宝石看不到刻