材料表面与界面---研究生教案优秀PPT.ppt

第一部分第一部分 材料表面与界面的结构材料表面与界面的结构1.1 固体的表面固体的表面一、志向表面一、志向表面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、不不考考虑虑晶晶体体内内部部周周期期性性势势场场在在晶晶体体表表面面中断的影响；中断的影响；2、不不考考虑虑表表面面原原子子的的热热运运动动、热热扩扩散散、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；化学作用等；4、认认为为体体内内原原子子的的位位置置与与结结构构是是无无限限周周期期性性的的，则则表表面面原原子子的的位位置置与与结结构构是是半半无无限限的的，与体内完全一样。与体内完全一样。二、清洁表面二、清洁表面不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理-化学效应的表面。化学效应的表面。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。（表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）晶面1（平面）晶面3（连接面）晶面2（立面）清洁表面可分为三种清洁表面可分为三种：台阶表面、弛豫表面台阶表面、弛豫表面、重构表面、重构表面 2、弛豫表面弛豫表面-指指表表面面层层之之间间以以及及表表面面和和体体内内原原子子层层之之间间的的垂垂直直间间距距ds和和体体内内原原子子层层间间距距d0相相比比有有所所膨膨胀胀和和压压缩缩的的现现象象。可能涉及几个原子层。可能涉及几个原子层。ds内部内部表面表面d03、重构表面重构表面-指指表表面面原原子子层层在在水水平平方方向向上上的的周周期期性性不不同同于于体体内内，但在垂直方向上的层间间距但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。与体内相同。d0内部内部表面表面d0三、吸附表面三、吸附表面在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面四周空间吸附在表面上的质点所构成的表面。表面四周空间吸附在表面上的质点所构成的表面。吸附表面可分为四种吸附位置吸附表面可分为四种吸附位置：顶吸附、桥吸附顶吸附、桥吸附、填充吸附、中心吸附、填充吸附、中心吸附 顶吸附顶吸附桥吸附桥吸附填充吸附填充吸附中心吸附中心吸附俯视图俯视图剖面图剖面图四、表面自由能四、表面自由能 在建立新表面时，邻近原子将丢失，键被切断，因此，在建立新表面时，邻近原子将丢失，键被切断，因此，必需对系统作功；必需对系统作功；同样，在确定温度和压力下，并保持平衡条件，若增同样，在确定温度和压力下，并保持平衡条件，若增加表面能，系统也必需作功。加表面能，系统也必需作功。对全部单组分的系统，表面总的自由能变更为：对全部单组分的系统，表面总的自由能变更为：G-表面自由能；S-熵；T-温度V-体积；p-压力；-表面张力；A-表面积五、表面偏析五、表面偏析 杂杂质质由由体体内内偏偏析析到到表表面面，使使多多组组分分材材料料体体系系的的表表面面组组成成与体内不同。与体内不同。将偏析与表面张力联系起来：将偏析与表面张力联系起来：(1)若若 2 1,表面张力较小的组分将在表面上偏析表面张力较小的组分将在表面上偏析(富富集集);(2)若若 2=1,不存在表面偏析。不存在表面偏析。1.2 表面二维结构表面二维结构平面平面 二维二维 格点阵列格点阵列 二维格子示意图二维格子示意图格点格点 格点可以是一个原子（即格点可以是一个原子（即Bravais布喇菲布喇菲格子）；格子）；格点也可以是原子团；格点也可以是原子团；二维格子中随意格点的位矢：二维格子中随意格点的位矢：、为二维格子的基矢。为二维格子的基矢。也是原胞的两条边。也是原胞的两条边。二维格子的数目是有限的，事实上只有二维格子的数目是有限的，事实上只有5种种Bravais格子，即格子，即斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下：斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下：名名 称称格子符号格子符号基矢关系基矢关系晶晶 系系斜形斜形方形方形六角形六角形矩形矩形中心矩形中心矩形PPPPCa b，90，任，任意意a=b，=90a=b，=120a b，=90a b，=90斜形斜形正方正方六角六角矩形矩形矩形矩形二维二维Miller指数指数Miller指数标记二维晶格中平行晶列的各种取向。如（指数标记二维晶格中平行晶列的各种取向。如（hk）留意与晶面指数的区分。？留意与晶面指数的区分。？表面结构命名法表面结构命名法Wood命名法22 矩阵命名法自学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。清清洁洁的的金金属属表表面面，低低能能电电子子衍衍射射（LEED）探探讨讨表表明明具具有有如下特点：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；）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其次层的间距接近于体内的值，变动、垂直于表面的最上层与其次层的间距接近于体内的值，变动 小于小于5%。一些（较少）非紧密积累的晶面，约有。一些（较少）非紧密积累的晶面，约有5%-15%的的 缩短；缩短；5、非紧密积累的原子比紧密积累的原子更趋向于松弛；、非紧密积累的原子比紧密积累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于吸附杂质原子而获得复原）。失（可能是表面断裂的键由于吸附杂质原子而获得复原）。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、表面普遍发生重构现象重构现象；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；实例实例1：Si（111）面旁边劈裂面在不同温度下实时转变状态的）面旁边劈裂面在不同温度下实时转变状态的 STM图像；图像；.实例实例2：GaAs在（在（100）、（）、（111）、（）、（111）极性表面有大量重）极性表面有大量重 构发生，在（构发生，在（110）非极性表面未发觉重构现象。）非极性表面未发觉重构现象。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，主要缘由是非化学对于氧化物表面，一般都出现重构现象，主要缘由是非化学计量的诱导和氧化态变更造成的。计量的诱导和氧化态变更造成的。实例实例：氧化态：氧化态TiO2，表面吸氧或脱氧，变成表面吸氧或脱氧，变成 Ti2O3、TiO等等.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，并确定薄膜一系列的光学、电学、磁学、力学、生物学等性子，并确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，薄膜表面结构特别困难。所以，薄膜表面结构特别困难。实实例例：从从金金属属薄薄膜膜的的电电子子衍衍射射花花样样（薄薄膜膜厚厚度度不不同同可可以以有有弥弥散散环环、择择优优取取向向清清锐锐环环以以及及无无择择优优取取向向清清锐锐环环等等）、STM图图像像或或AFM图像等可说明。图像等可说明。1.4 固体的界面固体的界面界面：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薄膜界面薄膜界面超晶格界面超晶格界面一、界面类型一、界面类型1、平移界面、平移界面 在在结结构构相相同同的的晶晶体体中中，一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分平平滑滑移移动动一一个个位位移矢量移矢量 。其间的界面称为平移界面。其间的界面称为平移界面。SFA.P.B-等于点阵矢量，称反相界面；SF-不等于点阵矢量，称层错。2、孪晶界面、孪晶界面3、混合界面、混合界面孪晶界面又称取向界面。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 当当晶晶体体结结构构由由中中心心对对称称向向非非中中心心对对称称转转变变时时，由由反反演演操操作联系起来的两个畴之间形成反演界面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左侧左侧右侧右侧二、界面的微观结构二、界面的微观结构 指指晶晶粒粒间间界界的的结结构构，是是在在晶晶体体结结晶晶过过程程中中形形成成的的，存存在在于于多多晶晶材材料料中中。晶晶界界区区的的晶晶粒粒表表面面原原子子，由由于于受受到到相相邻邻晶晶粒粒势势场场的作用，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意图 据据晶晶界界结结构构相相邻邻晶晶粒粒取取向向差差别别角角度度的的大大小小，可可分分为为小小角角晶晶界界和大角晶界。和大角晶界。1、晶界原子排列的理论模型、晶界原子排列的理论模型自学 2、小角晶界、小角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。较小的较小的小角晶界可用位错排列来说明。如下图。小角晶界可用位错排列来说明。如下图。小角倾转晶界示意图P54 图3、大角晶界、大角晶界 当当两两个个相相邻邻晶晶粒粒取取向向差差别别角角度度 超超过过15时时为为大大角角倾倾斜斜晶晶界界，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 界界面面两两边边相相邻邻晶晶粒粒的的原原子子成成一一一一对对应应的的相相互互匹匹配配关关系系。界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、晶界能与晶界电势、晶界能与晶界电势晶界能晶界能：晶界处的界面能。：晶界处的界面能。晶界电势晶界电势：小小角角度度范范围围（0处,则功函数为:-N个电子系统在胶体中的基态能量;-在同一胶体中(N-1)个电子系统的能量;-电子处在(-)处的静电能。式中:三个参数的表达式的求法：了解三、表面能三、表面能 定义：在电子数保持不变的状况下，建立一个表面所须要的能量。其表达式求法：其表达式求法：金属表面系统的总能量减去体内的能量。表面能包括两部分：表面能包括两部分：静电表面能+（动能、交换能及相关能）3.3 几种近似方法几种近似方法3.4 表面势与功函数的计算表面势与功函数的计算自学(了解了解)