材料表面与界面-习题

名词解释：小角度倾斜晶界两个晶粒交界处晶向之间的夹角称为晶界角。

晶界角小于10度的晶界称为小角度倾斜晶界。

表面自扩散原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。

不依赖浓度梯度，仅由热振动而产生的扩散。

表面热缺陷热激发导致，可以由晶体体内热缺陷的存在而相伴产生，也可以由晶体表面原子的迁移、脱位或吸附等产生的缺陷。

接触角：在固、液、气三相交界处，气液相界面与固液相界面之间的夹角。

肖特基势垒若忽略金属和半导体的间隙和界面态的影响，可以得到表面势垒这种势垒称之为肖特基势垒。

式中X为半导体导带底电子到真空能级的亲和势。

表面探针。

由光子、电子、离子、声、热、电场和磁场等可以与表面作用，来获取表面的各种信息。

它们通常被称为“探针”（Probe）表面原子弛豫表面原子的受力情况和体内不同造成的的表面原子层相对于体内原子层下的整体移动以降低体系的能量，而表面原子的近邻数和旋转对称性均不改变的现象，这种现象称为表面弛豫。

外延生长在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。

表面振动模固体表面层原子和分子的振动。

由于表面原子只在平行表面方向上的排列有周期性，在垂直表面方向原子的分布失去严格周期性。

表面原子的近邻配位原子同体内的不一样。

因而表面原子具有的对称性和它受力的分布同体内原子差异显著，致使表面振动形成特殊的模式。

表面量子化简答：XPS & AES XPS即X射线光电子能谱结合能Eb是把一个电子从束缚态激发到真空自由态所需的能量。

对于不同的电子壳层，其Eb也不相同，原子所处的化学环境对结合能的影响非常大，可以利用电子能谱仪测出电子的动能，于是得到结合能Eb，这就是光电子能谱分析表面电子结构的基本原理。

XPS 分析是采用X 射线照射样品，检测样品表面发射出来的光电子的能量分布。

在入射光子能量确定的情况下，光电子能量与原子轨道结合能量一一对应。

当原子与所处的化学环境不同时，光电子谱峰发生化学位移，因而可以从光电子谱峰的峰位与峰形，分析样品表面的元素组成以及原子所处的化学环境。

1.液体原子构造的主要特征。

〔1〕液体构造中近邻原子数一般为5~11个〔呈统计分布〕，平均为6个，与固态晶体密排构造的12个最近邻原子数相比差异很大；〔2〕在液体原子的自由密堆构造中存在五种间隙，四面体间隙占了主要地位。

〔3〕液体原子构造在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。

2.液体外表能的产生原因。

液体外表层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。

因此在液体外表层中，每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的不平衡力。

这种吸引力使外表上的分子趋向于挤入液体内部，促成液体的最小外表积。

要使液体的外表积增大就必须要对抗液体内局部子的吸引力而做功，从而增加分子的位能，这种位能就是液体的外表能。

3.液体外表张力的概念与影响因素。

液体外表层的原子或分子受到内部原子或分子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体外表积缩小，因此在液体外表的切线方向始终存在一种使液体外表积缩小的力，其合力指向液体内部的作用力，这种力称为液体外表张力。

液体的外表张力大小受很多因素的影响。

如果不考虑液体内部其它组元向液体外表的偏聚与液体外部组元在液体外表的吸附，液体外表张力大小主要受物质本身构造、所接触的介质与温度的影响。

〔1〕液体的外表张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力，因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的外表张力的大小。

一般来说，液体中原子或分子间的结合能越大，外表张力越大。

具有金属键原子结合的物质的外表张力最大；其次由大到小依次为：离子键结合的物质、极性共价键结合的物质、非极性共价键结合的物质。

(2)液体的外表张力的产生是由于处于外表层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。

当液体处在不同介质环境时，液体外表的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体外表张力的不同。

一般来说，介质物质的原子或分子与液体外表的原子或分子结合能越高，液体的外表张力越小；反之，介质物质的原子或分子与液体外表的原子或分子结合能越低，液体的外表张力越大。

1表面、界面的定义与理解：表界面是由一个相过渡到另一相的过渡区域。

习惯上把固－气、液－气的过渡区域称为表面，而把固－液、液－液、固－固的过渡区域称为界面。

根据物质的聚集态，表界面通常可以分为以下五类：固－气；液－气；固－液；液－液；固－固；物理表面包括：理想表面、清洁表面、吸附表面表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。

2 理想表面理论前提：①不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；②不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等；③不考虑外界对表面的物理-化学作用等；④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无限的，与体内完全一样。

3何为清洁表面？清洁表面获得方法？指不存在任何污染的化学春表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。

获得清洁表面的几种方法: ①在获得超高真空的同时获得清洁的表面。

②用简单的加热方法去除表面的沾污。

③在化学气氛中加热去除那些通过简单加热不能清除的化学吸附沾污。

④对于较顽固的沾污，可以利用惰性气体离子（如Ar+、Ne+）轰击表面而有效地清除污染。

⑤对于一些晶体，可以采用沿特定的晶面自然解理而得到清洁表面。

⑥在适当的基片上通过真空蒸发法获得预想的单晶和多晶薄膜，作为研究对象的清洁表面。

4 根据原子结构的不同清洁表面分哪几种？图示说明（PPT）弛豫表面：指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距d s和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。

可能涉及几个原子层。

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，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。

台阶结构：表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。

由于晶体内部缺陷的存在等因素，使晶体内部应力场分布不均匀，加上在解理晶体对外力情况环境的影响，晶体的解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理，而是伴随着相邻的倾斜晶面的开裂，形成层状的解理表面。

第一章1、什么是Young方程?接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？答：Young方程：界面化学的基本方程之一。

它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv,γSL,γLv与接触角θ之间的关系式,亦称润湿方程，表达式为：γsv—γSL=γLv COSθ。

该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。

关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=0。

cosθ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好;90°＜θ＜180°,液体不润湿固体;θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。

2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒,试气温骤降至293K,水气的过饱和度（P/Ps)达4，已知在293K时，水的表面能力为0.07288N/m，密度为997kg/m3,试计算：（1）在此时开始形成雨滴的半径。

（2）每一雨滴中所含水的分子数。

答:（1）根据Kelvin公式有开始形成的雨滴半径为：将数据代入得：（2）每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ，n=m/M= V/M，得3、在293k时，把半径为1.0mm的水滴分散成半径为1.0μm的小水滴,试计算(已知293K时水的表面Gibbs自由为0。

07288J 。

m—2）（1）表面积是原来的多少倍?（2）表面Gibbs自由能增加了多少？（9分）答：(1）设大水滴的表面积为A1，小水滴的总表面积为A2，则小水滴数位N，大水滴半径为r1,小水滴半径为r2.又因为将大水滴分散成N小水滴，则推出=故有即表面积是原来的1000倍。

（2）表面Gibbs自由能的增加量为=4*3。

142*0。

07288*[109*（10—6)2—（10-3)2］=第二章1、什么是CMC浓度？试讨论影响CMC的因素。

请设计一种实验测定CMC的方法。

1.液体的原子结构的主要特征。

液体的原子结构存在以下三个主要特征：(1)液体结构中近邻原子数一般为5~11个（呈统计分布），平均为6个，与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大；(2)在液体原子的自由密堆结构中，四面体间隙占了主要地位。

(3)液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。

2.液体表面张力的概念和影响因素。

液体表面分子或原子受到内部分子或原子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体表面积缩小，因而在液体表面切向方向始终存在一种使液体表面积缩小的力，液体表面这种沿着切向方向，合力指向液体内部的作用力，就称为液体表面张力。

液体表面张力影响因素很多，如果不考虑液体内部分子或原子向液体表面的偏聚和外部原子或分子对液体表面的吸引，影响液体表面张力的因素主要有：(1)液体自身结构：液体的表面张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力，因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的表面张力的大小。

一般来说，液体中原子或分子的结合能越大，液体表面张力越大，一般液体表面张力随结构不同变化趋势是：金属键结合物质>离子键结合物质>极性共价键结合物质>非极性共价键结合物质(2)表面所接触的介质：液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。

当液体处在不同介质环境时，液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体表面张力的不同。

一般来说，介质物质的原子或分子与液体表面原子或分子结合能越大，液体表面能越小，反之越大(3)温度：随着温度的升高，液体密度下降，液体内部原子或分子间的作用力降低，液体内部原子或分子对表面原子或分子的吸引力减弱，液体表面张力下降。

最早给出的预测液体表面张力与温度关系的半经验表达式为：γ= γ0(1－T/T c)n式中T c为液体的气化温度，γ0为０K时液体的表面张力。

材料表界面习题答案【篇一：材料表界面期末复习】> 1、表界面的定义及其种类。

定义；表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。

若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。

种类:表界面通常有五类：气-液界面（表面），气-固界面（表面），液-液界面，液-固界面，固-固界面。

二、液体表面1、表面张力定义及表面自由能定义答：表面张力是单位长度上的作用力，单位是n/m表界面张力的热力学定义为：由能量守恒定律，外界所消耗的功存储于表面，成为表面分子所具有的一种额外的势能，也称为表面能。

??(?g/?a)p,t,nb由于分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的，产生了净吸力。

而净吸力会在界面2、计算：r1=1mm,r2=10－5 mm2?32a=4?r?4?3.1416?(6.2?10m)11?4.83?10?4m2se?ga1＝?a11－3?2?42＝（72?10j?m)(4.83?10m)?3.5?10?5j3、laplace方程表达式12 ?p??(1/r?1/r) (2-18)就是laplace方程，是表面化学的基本定律之一。

注释：（1）若：r1＝r2＝r，则曲面为球面，回到（2－15）式；（2）若：r1＝r2＝无穷大，则液面为平面，压差为0。

4、表面张力的几种测定方法。

（1）毛细管法（2)最大气泡压力法 (3)滴重法 (4)吊环法解：先求水滴半径：代入kelvin公式：6、gibbs吸附等温式（溶液的表面张力）表面张力随溶液组成的变化规律一般有三种比较典型的类型三、固体表面1、比表面积定义：－? 1g某种固体，其密度为2.2 g/cm3，把它粉碎成边长为106cm的小立方体，求其总表面积。

2、吸附等温线：吸附量可用单位质量吸附剂所吸附气体的量或体积来表示。

3、langmuir吸附等温式a、langmuir吸附公式b、用活性炭吸附chcl3，符合langmuir吸附等温式，在0 ℃时的饱和吸附量为93.8 dm-3*kg-1。

4-1 何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？解：表面张力是将物体表面最大一个单位面积所需作的功。

也可理解为作用在单位长度上的力。

表面能是在恒温恒压及组成不变的条件下，每增加一个单位的表面积时，体系自由焓的增值。

液体因不能承受剪应力，外力所做的功表现为表面积的扩展。

因而表面能与表面张力的单位及数量是相同的。

其单位为J •m -2。

固溶体因能承受剪切力，外力的作用除了表现为表面积的增加外，有一部分变成塑性形变。

因此，固体的表面能与表面张力不等。

4-2 在真空条件下Al 2O 3的表面张力约为0.9J/m 2，液态铁的表面张力为1.72J/m 2，同样条件下的界面张力（液态铁-氧化铝）约为2.3J/m 2，问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？解：已知γSV ＝0.90J/m2，γLV ＝0.72J/m2，γSL ＝2.3J/m 2cos θ＝＝＝－0.8139θ＝144.48因为θ>90，所以液态铁不能润湿氧化铝。

4-3 测定了含有一个固态氧化物、一个固态硫化物和一个液态硅酸盐的显微结构，有以下的两面角：（a ）两个硫化物颗粒之间的氧化物是112°；（b ）两个硫化物颗粒之间的液体是60°；（c ）两个氧化物颗粒之间的硫化物是100°；（d ）一个氧化物和一个硫化物之间的液体是70°。

假如氧化物和氧化物之间界面能是0.9J/m 2，求其它界面能是多少？解：按题意绘图如下：图4-1 例题4-3附图SV SL LV γγγ-72.130.290.0-22J/m 70.056cos 2/γJ/m 78.056cos 50cos 2100cos /2112cos /)2/100cos(2)()2/112cos(2)(=======∙SS SO OOSS OO SS SO OO SO SS γγγγγγγc γγa 由题意题中γSS 是硫化物之间界面张力；γOO 为氧化物之间界面张力；γOL 是氧化物与液体间界面张力。