固体表面与界面

第六章表面与界面•固体的表面•固体的界面•晶界•固体表面是固相和气相（或真空）的接触面。

•一个固相与另一个固相（结构不同）接触面称为固体界面。

●多晶材料的界面分为：同相界面：相同化学成分和晶体结构的晶粒间界面，如晶界、孪晶界、畴界等。

异相界面：不同化学成分和晶体结构的区域间界面，如同质异构体界面、异质异构体界面。

概述●表面质点所处环境不同于内部质点，存在悬键或受力不均而处于较高能态，呈现一系列特殊的性质。

●表面与界面可近似看作是材料中的二维缺陷。

●引起熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、吸附、润湿、化学活性、化学反应等方面的变化。

●有关强度、韧性、导热、导电、介电、传感、腐蚀、氧化、催化、能量交换、摩擦磨损、光的吸收与反射等都与表面与界面特性密切相关。

第一节固体的表面一、固体表面的特征•1、固体表面的特点–表面结构缺陷引起表面性质变化。

–实际固体表面常被外来物污染而影响表面性质。

–在原子尺度上，实际固体表面是凹凸不平的。

–晶体的各向异性在表面上也体现。

●固体表面与液体相似处是表面受力不对称；不同处是固体表面原子(离子)不能自由流动，使定量描述更困难。

2、固体表面力场●晶体中质点的受力场可认为是有心对称的。

●固体表面质点力场对称性被破坏，存在有指向的剩余力场，使固体表面表现出对其他物质有吸引作用（如吸附、润湿等），该力称为固体表面力。

●固体表面力分为化学力和范德瓦尔斯力（分子力）（1）化学力：本质是静电力。

当固体表面质点通过不饱和键与被吸附物间发生电子转移时，产生化学力。

对于离子晶体，晶体表面化学力主要取决于晶格能和极化作用。

（2）范德瓦尔斯力（分子引力），是固体表面产生物理吸附和气体凝聚的原因。

●定向作用力(静电力)：发生在极性物质之间。

相邻两个极化电矩相互作用的力。

●诱导作用力：发生在极性与非极性物质之间。

指在极性物质作用下，非极性物质被极化诱导出暂态的极化电矩，随后与极性物质产生定向作用。

●分散作用力(色散力)：发生在非极性物质之间。

第四章固体的表面与界面固体的接触界面可一般可分为表面、界面和相界面：1）表面:表面是指固体与真空的界面。

2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。

3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。

有三类: S／S；S／V； S／L。

产生表面现象的根本原因在于材料表面质点排列不同于材料内部，材料表面处于高能量状态⏹ 4.1 固体的表面及其结构♦ 4.1.1固体的表面1.理想表面2.清洁表面（1）台阶表面（2）弛豫表面（3）重构表面3.吸附表面4. 固体的表面自由能和表面张力5. 表面偏析6. 表面力场固体表面的结构和性质在很多方面都与体内完全不同。

所以，一般将固体表面称为晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。

这种表面实际上是理想表面，此外还有清洁表面、吸附表面等。

1、理想表面没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面理想为一个理想表面。

这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。

它忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等。

这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。

2、清洁表面清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。

这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。

根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。

（1）台阶表面台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成（2）弛豫表面 –在垂直于表面的方向上原子间距不同于该方向上晶格内部原子间距的表面由于固体体相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子的配位情况发生变化，相应地表面原子附近的电荷分布将有所改变，表面原子所处的力场与体相内原子也不相同。

为使体系能量尽可能降低，表面上的原子常常会产生相对于正常位置的上、下位移，结果表面相中原子层的间距偏离体相内原子层的间距，产生压缩或膨胀。

固体物理学基础晶体的表面与界面物理晶体是物质排列有序的固态结构，其内部的原子排列具有周期性重复的特征。

然而，固体晶体与外界环境之间的接触面即表面以及晶体与其他晶体之间的界面却展现出了特殊的物理性质，这是固体物理学中一个重要而广泛研究的课题。

1. 表面物理学表面是固体晶体与外界环境相接触的区域，它通常由表层原子构成。

与晶体内部相比，表面的原子排列更加松散，结构更不规则。

这导致了表面物理性质与晶体内部的差异。

1.1 表面能和表面形貌表面能是表征表面性质的重要参数。

它反映了表面原子对外界作用力的敏感程度以及表面原子间的相互作用强度。

表面能的大小直接影响着固体的表面现象，如润湿性、吸附性等。

另外，表面形貌也是表面物理学中的一个重要研究内容。

表面的形貌与固体晶体的生长、晶体结构有着密切的关系，对材料的性能和应用也具有重要影响。

1.2 表面电子结构和局域态相比于晶体内部的电子能级结构，表面区域的电子结构发生了较大的变化。

表面态和界面态的存在使得表面与界面成为固体中电子输运的重要通道。

此外，表面和界面常常会导致电子的局域化现象，形成局域态。

研究表面电子结构和局域态对于理解固体物理学中的许多现象至关重要。

2. 界面物理学界面是两个不同材料的接触面，其中至少有一个为固体晶体。

界面的形成和性质对于多个领域都有着重要的影响，如材料科学、纳米科技等。

2.1 界面的结构和性质界面的结构与性质主要受到相邻材料的晶体结构、材料相互作用等因素的影响。

不同材料之间存在界面能的差异，使得界面呈现出独特的物理化学性质。

界面的结构和性质研究为杂质控制、界面反应等提供了重要的理论依据。

2.2 界面电子结构和界面态界面的形成会导致局部晶格的扭曲和变形，进而影响到界面区域的电子结构。

活化能的变化会造成界面电荷重排和界面电子态的形成。

界面电子态的研究对于解析电子在材料界面上的行为以及界面的电子传输机制具有重要意义。

总结：固体物理学基础晶体的表面与界面物理是对固体晶体内部性质之外的重要研究课题。

材料科学中的表面和界面现象表面和界面现象是材料科学领域中最重要的研究方向之一。

在材料工程、物理、化学等领域中，表面和界面现象的研究是其中的核心内容。

表面和界面现象涉及到材料表面和界面的结构、性质、热力学和动力学等方面的内容。

本文将介绍表面和界面现象的基本概念，探究其在材料科学中的重要性，并从多个角度阐述表面和界面现象在材料科学中的应用。

一、表面和界面现象的基本概念表面是指材料与周围环境相接触的部分，是材料的最外层。

表面现象是指固体表面的物理和化学性质与固体本身不同的性质，包括表面能、表面物理化学反应和表面反应动力学等。

界面是指两个物质相互接触的界面，由于接触必然引起界面区域的变化，所以界面现象与表面现象有许多相似之处。

界面现象包括表面张力、粘附力、润湿性等。

表面张力是指基于表面吸附机理，类似于薄膜的张力作用。

粘附力则是由表面间的物理吸附和化学反应产生的相互吸引力，常常涉及界面界面的剪切方面或接触角等方面。

表面和界面现象是由材料表面或界面上的分子作用产生的，其中动力学因素如扩散和迁移等也是相当重要的。

扩散是物质分子的自发移动，在固体表面和界面处的扩散通常比在体积中会大得多。

在材料科学中，表面和界面现象可以用于改良材料的性质和性能。

二、表面和界面现象在材料科学中的重要性表面和界面现象在许多材料科学领域中都有着广泛的应用。

例如，这些现象可以用来控制材料的力学性能、光学性能、热学性能，以及用作催化剂、杀菌剂等方面。

用于工程材料的粘附剂、涂层技术以及材料加工中的冶金技术通常都涉及到表面和界面现象的应用。

表面状态和化学特性对于颗粒物和纳米结构材料的制备和应用有着重要的影响。

表面和界面现象也成为创新材料设计的基础，包括涂层材料的设计、减小接触角的材料（如超疏水、超疏油材料）的制备、双氧水气泡杀菌、合金制备、新催化剂的研究等。

另外，表面和界面现象在电子器件中也起着重要的作用，像皮肤感应器、高分子材料、太阳能电池、传感器、LED材料等。

第四章 材料的表面与界面表面与界面的概念：固体的表面现象与液体相似，通常把一个相和它本身蒸气（或真空）接触的分界面称为表面。

一个相与另一相（结构不同）接触的分界面称为界面。

固体的表面力：晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质点力场是对称的。

但在固体表面，质点排列的周期性重复中断，使处于表面边界上的质点力场对称性被破坏，表现出剩余的键力，这就是固体的表面力。

表面力的存在使固体表面处于较高的能量状态。

表面的结构：晶体由于质点不能自由流动，只能借助离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来降低表面能，这样就造成表面层与内部结构的差异。

离子晶体(MX 型)在表面力作用下，处于表面层的负离子(X －)只受到上下和内侧正离子(M +)的作用，而外侧是不饱和的，该负离子通过极化变形来降低表面能，这一过程称为松驰，松驰在瞬间即可完成，其结果改变了表面层的键性。

接着是发生离子重排过程。

从晶格点阵排列的稳定性考虑，作用力较大、极化率小的正离子应处于稳定的晶格位置。

为降低表面能，各离子周围作用能应尽量趋于对称，从而形成表面双电层。

而产生这种变化的程度主要取决于离子极化性能，对于PbI2、PbF2、BaSO4、SrSO4、CaF2，PbI 2表面能最小，CaF 2最大。

这是因为Pb 2+和I －都具有最大的极化性能，双电层厚导致表面能和硬度都降低。

固体的表面能：表面能的含义是每增加单位表面积时，体系自由能的增量。

固体的表面能可以通过实验测定或理论计算法来确定。

1. 共价键晶体表面能共价键晶体不必考虑长程力的作用，表面能(u s )即是破坏单位面积上的全部键所需能量之一半。

b s u u 21 式中：u b 为破坏化学键所需能量。

2. 离子晶体的表面能每一个晶体的自由能都是由两部分组成：体积自由能和一个附加的过剩界面自由能。

为了计算固体的表面自由能，我们取真空中绝对零度下一个晶体的表面模型，并计算晶体中一个原子(或离子)移到晶体表面时自由能的变化。

固体物理学中的表面物理学与界面效应在固体物理学中，表面物理学与界面效应是两个非常重要的研究领域。

表面物理学主要研究固体表面的结构、性质和动力学行为等方面，而界面效应则研究不同材料之间的相互作用及对材料性质的影响。

本文将围绕这两个主题展开探讨。

一、表面物理学在固体物理学中，表面物理学研究的对象主要是固体表面的结构和性质。

由于表面相对于体内来说具有较高的表面自由能，因此表面结构和性质的研究具有很大的意义。

1、表面结构固体表面的结构通常是由层状结构和表面重构两个方面组成。

层状结构是指晶体表面上的原子层具有一定的周期性排布结构，这种结构对于表面的吸附、反应和生长等过程起到了至关重要的作用。

而表面重构是指在表面上形成一种不同于体内结构的层状结构，这种结构通常是由表面上的化学反应或物理过程引起的。

表面重构的出现不仅会影响表面的稳定性和能量，同时还会对表面化学反应和物理学性质等方面产生重要影响。

2、表面性质表面性质与表面结构密切相关，主要包括表面能量、表面态密度、表面散射、表面反应等方面。

表面能量是指表面上每个原子的各自能量之和，它决定了表面稳定性和化学反应等方面的性质。

表面态密度是指表面上每个原子的自由态密度之和，它与表面的电子结构和导电性等方面有关。

表面散射是指表面对入射粒子的反射和散射现象，它与材料的表面光学性质和电子结构等方面相关。

表面反应则是指表面上的化学反应和物理过程，它直接影响着表面的化学性质和生长机制等方面。

二、界面效应固体中的界面效应是指不同材料或不同晶面之间的相互作用及其对材料性质的影响。

这种效应来源于不同材料或不同晶面之间的化学、电学和热学等物理性质的差异，它能够导致多种连锁反应，进而对材料性质造成极大影响。

1、界面反射当电磁波从介质之间的界面上反射或折射时，会发生电磁场的反射或折射。

这种现象被称为界面反射。

在材料的光电学领域中，例如太阳能电池和光导纤维等领域中，界面反射现象成为了研究的重要对象。