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第七章第七章
晶态固体的表面和界面晶态固体的表面和界面
((SuSurfrfaceacess andand IInntteerrffacesaces
rryyssttaallillinene SSoolidlid))

•引言
研究表面与界面的意义
•界面构成晶态固体组织的重要组成部分;是二维晶体缺陷。
•结构不同于晶体内部,因而有很多重要的不同于晶体内部的
性质,影响晶体的一系列物理化学过程,且对晶体整体性能也
具有重要影响。
•例如晶体生长、外延生长、摩擦、润滑、磨蚀、表面钝化、
催化、吸附、扩散以及各种表面的热粘附、光吸收和反射、热
电子和光电子的吸收和反射等;晶体中的界面迁动、异类原子
在晶界的偏聚、界面的扩散率、材料的力学和物理性能等也都
和界面结构有直接的关系。
•是现代材料学科中一个活跃的课题。

本章涉及的内容
•界面的结构;与内部有何不同?结构模型;
•偏析;溶质在晶内与晶界的能量差异?如何
定量表征?
•迁移;晶界运动的基本规律;迁移的驱动
力?受溶质的影响;
•平衡形貌;热力学、力学的平衡态;单、双
相平衡组织形貌的差异?

晶体表面
静态表面原子状态和表面结构静态:指原子不动(无热激活)
清洁表面区电子密度分布的变化/现象一
垂直表面方向上晶体内部周
表面偶电期性遭到破坏,因而在表面
层向真空附近的电子分布发生变化,
伸入约影响表面原子排列。在表面
形成一层稀薄的电子云,形
成一个偶电层。

表面弛豫和再构(Relaxation and Restructure)
表面原子也会发生向表面法线方
向的弛豫。可向外膨胀或向内收
缩,这由于表面原子在真空一侧
丧失了近邻原子而出现“悬挂
链”,表面及附近原子达到新的
平衡位置。
注:弛豫过程保留了平行表面的
原子排列二维对称性。

金刚石结构的锗的{111}清洁表面弛豫状况

用低能电子衍射(Low-Energy Electron Diffraction,LEED)
研究清洁晶体表面的原子弛豫和再构,
金属表面。
铝和镍这2种金属的{001}、{110}和{111}表面的研究表明:
①Al、Ni、Cu和Au等的{001}表面基本没有表面法向弛豫,它的
排列和清洁的理想解离表面状况大体一样,表面{001}面间距与晶
%~5%。
②面心立方结构金属的{110}表面有大于5%表面法向收缩。
③面心立方结构金属的{111}表面的实验数据不大一致,如Ni的
{111}表面层约有等于或少于2%的收缩,Al的{111}表面可能有反常
的约2%的扩张弛豫。
BCC结构,例如Na、V、Fe、W、Mo等晶体,它们中大多数
的{100}、{110}和{111}表面没有明显的表面法向弛豫,而Mo的
{100}表面却发生了很大的表面法向弛豫,收缩约11%~12%。

除了因表面原子在表面法线方向弛豫而引起表
面再构外,如果表面受其它原子的作用,甚至其它
原子(这些原子可以来自外部,也可以来自内部)
进入到表面中,也会引起表面的再构。再构后的这
种表面称为覆盖表面。
在大多数面心立方和体心立方结构的金属中
{100}和{110}的覆盖表面的结构都比较简单,而少数
金属(金和铂){100}覆盖表面的结构比较复杂,半
导体锗、硅等覆盖表面的结构更为复杂。化合物覆
盖表面的结构比单质表面的复杂。

动态表面原子状态
热力学温度0K时的情况。从原子尺度上看,每一个原子层都
是一个理想的平面,在这个平面中原子是二维有序的周期排列,
这样的表面称完整光滑突变表面。不是热力学温度0K时,由于
原子的热运动,原来的光滑表面可能出现一些缺陷。
单晶表面的TLK模型(Terrace,Ledge、Kink)

不同kT/EV值时表面结构示意图---温度的影响