材料表界面化學(xué)第一章緒論

1、第一章 緒言材料科學(xué)材料科學(xué)、信息科學(xué)信息科學(xué) 和和生命生命科學(xué)科學(xué)是當(dāng)前新技術(shù)革命中的三大前沿科學(xué)，材料的表界面材料的表界面在材料科學(xué)中有重要的地位(材料表面與內(nèi)部本體的結(jié)構(gòu)、組成相同嗎？）材料表面與內(nèi)部本體的結(jié)構(gòu)、組成相同嗎？）材料材料表界面對(duì)材料整體性能具有決定性表界面對(duì)材料整體性能具有決定性影響，因此影響，因此從物理學(xué)角度講，研究材料表界面現(xiàn)象具有重要意義。從物理學(xué)角度講，研究材料表界面現(xiàn)象具有重要意義。材料的腐蝕、老化、硬化、破壞、印刷、涂膜、粘結(jié)、復(fù)合等等，無不與材料的表界面密切有關(guān)。1.1 表界面的定義 實(shí)際應(yīng)用中，表界面研究的對(duì)象為具有多相性的不均勻體系，即體系中存在兩個(gè)或以上

2、不同性能的相。定義： 表界面是由一個(gè)相過渡到另一個(gè)相的過渡區(qū)域。 Interface Interphase Interlayer表界面通常分為以下五類：1.固-氣2.液-氣3.固-液4.液-液5.固-固表表 面面界界 面面表界面區(qū)的結(jié)構(gòu)、能量、組成等都呈現(xiàn)連續(xù)的梯度變化，非幾何平面而是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度約幾個(gè)分子線度的準(zhǔn)三維區(qū)域。 Interface Interphase Interlayer1.1.1 物理表面三維規(guī)整點(diǎn)陣到體外空間之間的過渡區(qū)域1.理想表面：理想表面：指除了假設(shè)確定的一套邊界條件外，不指除了假設(shè)確定的一套邊界條件外，不發(fā)生任何變化的表面發(fā)生任何變化的表面。2.清潔表面：清潔表面

3、：指不存在任何污染的化學(xué)純表面，即不指不存在任何污染的化學(xué)純表面，即不存在吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的存在吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面表面。（相對(duì)環(huán)境氣氛污染的表面而言，吸附質(zhì)濃。（相對(duì)環(huán)境氣氛污染的表面而言，吸附質(zhì)濃度低需經(jīng)特殊處理如高溫?zé)崽幚怼㈦x子轟擊加退火、度低需經(jīng)特殊處理如高溫?zé)崽幚?、離子轟擊加退火、 真空解離、真空沉積等且在真空解離、真空沉積等且在1.33*10-10Pa保存）保存） 表面表面上會(huì)發(fā)生與體內(nèi)結(jié)構(gòu)和成分不同的變化，如：上會(huì)發(fā)生與體內(nèi)結(jié)構(gòu)和成分不同的變化，如：馳豫、重構(gòu)、臺(tái)階化、偏析和吸附等。馳豫、重構(gòu)、臺(tái)階化、偏析和吸附等。7表面附近的點(diǎn)陣常

4、數(shù)發(fā)生明顯的變化。NaCl晶體的表面弛豫表面處離子表面處離子排列發(fā)生中斷，體積大的負(fù)離子間的排斥作用，使C1-向外移動(dòng)，體積小的Na+則被拉向內(nèi)部，同時(shí)負(fù)離子易被極化，屏蔽正離子電場(chǎng)外露外移，結(jié)果原處于同一層的Na+和C1-分成相距為0.020 nm的兩個(gè)亞層，但晶胞結(jié)構(gòu)晶胞結(jié)構(gòu)基本沒有變化，形成了弛豫。 8（b）重構(gòu)(rebuilding)：表面原子重新排列，形成不同于體相內(nèi)部的晶面9c) 偏析又稱偏聚或分凝(segregation) 指化學(xué)組成在表面區(qū)域的變化但結(jié)構(gòu)不變。10d) 臺(tái)階化(steps) 表面附近的點(diǎn)陣常數(shù)不變，晶體結(jié)構(gòu)也不變，而形成相梯度表面。 11(f) 形成化合物 指表

5、面化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)都發(fā)生改變，在表面有新相生成e) 吸附(adsorption) 指表面存在周圍環(huán)境中的物種。分類：物理吸附和化學(xué)吸附12( a) 物理吸附：外來原子在固體表面上形成吸附層，由范德華力物理吸附：外來原子在固體表面上形成吸附層，由范德華力(Van der Waals)作用力引起，則此吸附稱為物理吸附。作用力引起，則此吸附稱為物理吸附。特點(diǎn)：物理吸附過程中沒有沒有電子轉(zhuǎn)移、沒有化學(xué)鍵的生成特點(diǎn)：物理吸附過程中沒有沒有電子轉(zhuǎn)移、沒有化學(xué)鍵的生成和破壞，沒有原子重排等等，產(chǎn)生吸附的只是范德華力。和破壞，沒有原子重排等等，產(chǎn)生吸附的只是范德華力。物理吸附的作用力是范德華力，包括：定向力物理

6、吸附的作用力是范德華力，包括：定向力/偶極力、誘導(dǎo)力、偶極力、誘導(dǎo)力、色散力；作用力。其本質(zhì)為靜電相互作用力色散力；作用力。其本質(zhì)為靜電相互作用力.吸附熱約為：吸附熱約為：4.2 KJ/mol，一般在較低的溫度下才能發(fā)生，無激活能，無選擇。，一般在較低的溫度下才能發(fā)生，無激活能，無選擇。物理吸附的作用力是范德華力和氫鍵，包括：物理吸附的作用力是范德華力和氫鍵，包括：定向力定向力/偶極力、偶極力、誘導(dǎo)力、色散力；作用力。誘導(dǎo)力、色散力；作用力。吸附分類：物理吸附和化學(xué)吸附13(b) 化學(xué)吸附： 外來原子在固體表面上形成吸附層由化學(xué)鍵作用力引起，則此吸附稱為化學(xué)吸附。特點(diǎn)：表面形成化學(xué)鍵；有選擇性

7、；需要激活能；吸附熱高（21- 42 KJ/mol）。吸附的物種可以是有序(order)也可以是無序(disorder)吸附在表面，也可以是單層(monolayer)，也可以是多層(multiplayer)吸附。因表面的性質(zhì)和被吸附的物種而定。吸附表面吸附表面：吸附有外來原子的表面，吸附：吸附有外來原子的表面，吸附原子可形成有序或無序的覆蓋層。覆蓋層原子可形成有序或無序的覆蓋層。覆蓋層可以具有和基體相同的結(jié)構(gòu)，也可以形成可以具有和基體相同的結(jié)構(gòu)，也可以形成重構(gòu)表面層。當(dāng)吸附原子和基體原子之間重構(gòu)表面層。當(dāng)吸附原子和基體原子之間相互作用很強(qiáng)時(shí)，則形成表面合金或表面相互作用很強(qiáng)時(shí)，則形成表面合金或

8、表面化合物。覆蓋層結(jié)構(gòu)中也存在缺陷，且隨化合物。覆蓋層結(jié)構(gòu)中也存在缺陷，且隨溫度發(fā)生變化。溫度發(fā)生變化。1.1.2 材料表面與物理表面區(qū)別：物理表面區(qū)別：物理表面限于表面以下兩三個(gè)原子層及其上吸附層。物理表面限于表面以下兩三個(gè)原子層及其上吸附層。而材料表面包括各種表面作用和過程所涉及的區(qū)域，而材料表面包括各種表面作用和過程所涉及的區(qū)域，其空間尺度和狀態(tài)決定于作用影響范圍的大小和材其空間尺度和狀態(tài)決定于作用影響范圍的大小和材料與環(huán)境條件的特性。料與環(huán)境條件的特性。 按形成途徑劃分：按形成途徑劃分：機(jī)械機(jī)械作用作用界面：界面：受機(jī)械作用而形成的界面如切削、研磨、受機(jī)械作用而形成的界面如切削、研磨、

9、拋光、噴砂、變形和磨損等拋光、噴砂、變形和磨損等化學(xué)作用化學(xué)作用界面：界面：由于表面反應(yīng)、粘接、氧化、腐蝕等化由于表面反應(yīng)、粘接、氧化、腐蝕等化學(xué)作用形成學(xué)作用形成固體結(jié)合固體結(jié)合界面：界面：兩個(gè)固體相直接接觸，通過真空、加熱、兩個(gè)固體相直接接觸，通過真空、加熱、加壓、界面擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑所形成的界面。加壓、界面擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑所形成的界面。1.液相或氣相沉積界面：液相或氣相沉積界面：物質(zhì)以原子尺寸形物質(zhì)以原子尺寸形態(tài)從液態(tài)或氣相析出而在態(tài)從液態(tài)或氣相析出而在=固體表面形成的固體表面形成的膜層或塊體稱之膜層或塊體稱之2.凝固共生界面：凝固共生界面：兩個(gè)固體同時(shí)從液相中凝兩個(gè)固體同時(shí)從液相中凝固

10、析出，且共同生長所形成的界面。固析出，且共同生長所形成的界面。3.粉末冶金界面：粉末冶金界面：通過粉末工藝將粉末材料通過粉末工藝將粉末材料轉(zhuǎn)變?yōu)閴K體所形成的界面。轉(zhuǎn)變?yōu)閴K體所形成的界面。4.粘結(jié)界面：粘結(jié)界面：由無機(jī)或有機(jī)粘結(jié)劑使兩個(gè)固由無機(jī)或有機(jī)粘結(jié)劑使兩個(gè)固體相結(jié)合而形成的界面。體相結(jié)合而形成的界面。5.熔焊界面：熔焊界面：固體表面造成熔體相，兩者在固體表面造成熔體相，兩者在凝固過程中形成冶金結(jié)合的界面。凝固過程中形成冶金結(jié)合的界面。1.2表界面科學(xué)發(fā)展史18751878 Gibbs定律；19131942 Langmuir的貢獻(xiàn)；20世紀(jì)40年代前 表面化學(xué)成果大量應(yīng)用生產(chǎn)；50年代，微型化、IT發(fā)展促進(jìn)表面化學(xué)發(fā)展；60年代，表面現(xiàn)象向