材料物理學(xué)第2章1課件

1、材料物理學(xué)第2章材料的表面與界面2.1 材料的表面2.2 材料的界面 2.3 多晶材料中的晶界 2.4 表面界面研究方法簡介 第1頁，共31頁。2.1 材料的表面2.1.1表面界面的定義 ：相與相的交界面稱界面（Interface Boundary），通常將氣相與凝聚相的交界面稱為表面（Surface），凝聚相的交界區(qū)為界面，同相晶粒之間為晶界，異相晶粒之間為相界。第2頁，共31頁。1.表面的范圍根據(jù)研究內(nèi)容而定，是一個(gè)過渡區(qū)（若干至數(shù)m）。 2.理想表面與實(shí)際表面（1）理想表面表面原子排列除上部無原子外與體內(nèi)一樣。（2）實(shí)際表面未清潔過的表面（ Uncleaned surface）；清潔表面

2、（Cleaned surface）；真空清潔表面 。第3頁，共31頁。 1.1.2清潔表面的的原子排布為降低表面能，表面原子需重新排布。1. 表面原子排列的調(diào)整a. 弛豫，b. 重構(gòu)，c. 超結(jié)構(gòu)。2. 外來因素a. 吸附， b. 合金 第4頁，共31頁。 1.1.3 實(shí)際表面1. 表面外形和表面粗糙度2. 表面的組織（1）晶粒尺寸的變化 （2）貝爾比層經(jīng)拋光等機(jī)械加工后的金屬的表面區(qū) 的表面組成。第5頁，共31頁。3. 表面的成分與性質(zhì)表面雜質(zhì)的偏析與耗盡 為減少表面能產(chǎn)生平衡偏析與非平衡偏析偏析與耗盡往往會(huì)引起表面改性。表面對(duì)材料性能的主要影響有：表面硬度、耐蝕性、蠕變、附著力、焊接特性、

3、表面擴(kuò)散、固相反應(yīng)和潛象。對(duì)電磁性能的影響為：表面態(tài)、界面態(tài)、陷阱和復(fù)合中心、表面電導(dǎo)、功函數(shù)、抗磁性和超導(dǎo)臨界溫度等。第6頁，共31頁。2.1.5 表面在薄膜制備中的重要性表面是指基片（襯底）的表面狀態(tài)?；淖饔茫撼休d薄膜材料與作為外延襯底。淀積物在表面形成薄膜的過程是：吸附成核長大（二維或三維）。表面的缺陷與形貌會(huì)延伸到薄膜中。表面存在的應(yīng)力也會(huì)影響薄膜的生長。表面的狀態(tài)對(duì)薄膜的性質(zhì)影響非常大。第7頁，共31頁。2.2材料的界面 2.2.1界面的定義和種類相與相的交界面稱界面（Boundary ， Interface）。晶粒與晶粒間的交界區(qū)稱晶粒間界（Grain Boundary GB）

4、，又稱晶界或粒界。對(duì)多相凝聚體系統(tǒng)，各相間的界面稱相界（Phase Boundary PB）。有規(guī)則而可控的交界面（相界），稱分界面（Interface）也有稱內(nèi)表面。 第8頁，共31頁。2.2.2晶粒間界（Grain Boundary GB） 1. 堆層錯(cuò)和雙晶（1）層錯(cuò)原子堆積時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)位第9頁，共31頁。晶界角:兩晶粒交界面上原子排列相位上相差的角度 。（1）小角度晶界（=10）大角度晶界的模型a. 過冷液體模型b. 小島模型c.重合模型2. 晶粒間界第10頁，共31頁。 2.2.3 相界1. 非共格相界 兩相結(jié)構(gòu)不同或晶格常數(shù)差別很大時(shí)，交界區(qū)稱非共格相界。 2. 共格相界 當(dāng)兩相結(jié)構(gòu)

5、一樣，晶格常數(shù)差別較小，通過晶格常數(shù)擴(kuò)張與收縮，使得晶界兩側(cè)的原子排列按原晶格結(jié)構(gòu)連貫地結(jié)合。第11頁，共31頁。3. 準(zhǔn)共格相界:晶格結(jié)構(gòu)相同，但晶格常數(shù)差別較大，過渡區(qū)主要由失配位錯(cuò)組成第12頁，共31頁。 2.2.4 分界面1. 界面的結(jié)合力（1）范德瓦耳斯力電矩作用的長程力。 （2）機(jī)械鎖定力表面的不平整交插而卡住。第13頁，共31頁。（3）表面過渡層引起的結(jié)合力金屬-玻璃界面：氧化物過渡層 。金屬-金屬界面：金屬擴(kuò)散、金屬間化合物、金屬互擴(kuò)散。該結(jié)合力是一種化學(xué)鍵力的作用，強(qiáng)度通常大于前面兩種。第14頁，共31頁。2.2.5界面在材料中的重要性 高技術(shù)新材料如金屬間化合物，超晶格、多

6、層膜和各種薄膜材料，納米固體材料以及顆粒、晶須、纖維等增強(qiáng)金屬基或增韌的陶瓷基復(fù)合材料中，由于界面的原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分不同于界面兩側(cè)體材料，而且在界面上很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 所以界面的性質(zhì)與界面兩側(cè)的體材料有很大差別，界面對(duì)材料的性能起著重要的作用，甚至有時(shí)能起控制作用。 第15頁，共31頁。2.2.6界面特征與表征 1.界面的類型異質(zhì)材料交界處的界面可能是由于不同材料的（1）擴(kuò)散粘接（2）內(nèi)氧化（或還原）（3）外延生長以及（4）多種多樣的不同層次范圍（納米、微米）的復(fù)合方法而形成。由于材料的種類和制備工藝的差別，材料的界面可能有多種多樣的形式，但從晶體結(jié)構(gòu)的角度可把材料的界面分為：（1）具有

7、相同（或不同）點(diǎn)陣常數(shù)的兩種晶體之間的界面。（2）晶體和非晶體之間的界面。（3）兩種非晶體之間的界面。除界面兩側(cè)物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)外，還要考慮界面兩側(cè)的化學(xué)成分的變化。（4）微米與納米界面。第16頁，共31頁。2.界面的觀察與表征高空間分辨率的分析電子顯微術(shù)，原子探針-場離子顯微術(shù)、特別是掃描隧道顯微鏡原子力顯微鏡的發(fā)展與應(yīng)用是一類表征界面的強(qiáng)有力的工具。通常將高分辨透射電子顯微技術(shù)及其他表征技術(shù)聯(lián)合使用，更可靠地確立材料界面的原子結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而能弄清界面特征與村料總體性能之間的關(guān)系 第17頁，共31頁。2.2.7 納米界面及其界面效應(yīng)當(dāng)金屬電極與電介質(zhì)接觸時(shí),由于接觸電勢差，形成一空

8、間電荷區(qū)?？蓮慕饘賰?nèi)原子距離擴(kuò)展到電介質(zhì)內(nèi)約10-9m或到絕緣體內(nèi)10-7m，形成一個(gè)納米級(jí)的界面,并且恒定帶電構(gòu)成雙電層。這一電荷分離層是電介質(zhì)和金屬電極間界面的特征,它在界面內(nèi)產(chǎn)生的電場可高達(dá)103MV/m。 第18頁，共31頁。2.3 多晶材料中的晶界 2.3.1 多晶材料中外來相的分布 多相系少數(shù)相通常分布在晶界（相界）處。由主相與外來相的表面能大小的不同而決定分布方式。第19頁，共31頁。 2.3.2多晶材料中晶界的性質(zhì)1. 低能晶界多晶材料中的晶界，大都是大角度晶界，原子排列的情況相當(dāng)復(fù)雜，但晶界角不是隨幾分布。（平衡條件：自由能最低。） 重合位座點(diǎn)陣匹配低能晶界。低能晶界過渡區(qū)中

9、，兩邊原子的排列位置作少量調(diào)整，使兩邊原子排列達(dá)到逐步匹配。接近重合位座點(diǎn)陣匹配低能晶界。這種晶界過渡區(qū)，除兩邊原子作畸變外，還要形成一定數(shù)量的失配位錯(cuò)。 第20頁，共31頁。 為了界面能的平衡。多晶材料中經(jīng)常出現(xiàn)120度晶界（三晶粒交界）。第21頁，共31頁。2. 晶界的結(jié)構(gòu) （1）晶界處的成分從總體上看，晶界處原子排列比較疏松，處于畸變狀態(tài)，聚集著大量的位錯(cuò)，有較強(qiáng)的應(yīng)力場，化學(xué)勢也較低，所以各類雜質(zhì)都有往晶界處集中的趨勢，形成非平衡偏析，稱晶界偏析，也稱內(nèi)吸附。 （2）晶界電荷離子晶體的結(jié)構(gòu)單元帶電，故晶界處存在電荷。第22頁，共31頁。 2.3.3金屬與合金中的晶界金屬鍵的電子是公有化

10、的，所以金屬的晶界比較薄，大概只有幾個(gè)原子的寬度，晶界上有大量的位錯(cuò)、層錯(cuò)和點(diǎn)缺陷。 2.3.4陶瓷的晶界1. 陶瓷晶界與金屬合金晶界的主要區(qū)別：晶界上可能存在靜電場、雜質(zhì)在晶界的含量高、晶界處可能存在各種非化學(xué)計(jì)量化合物（Al2O3中存在AlO）、可能生成新的晶界相、陶瓷中點(diǎn)缺陷形成能很高（7eV）。2. 陶瓷晶界的特征特殊晶界由小角度晶界、重合位座（CSL）晶界和重合轉(zhuǎn)軸方向（coincidence axis direction CAD）晶界等組成，這些都是低能晶界。一般晶界由接近重合晶界（near coincidence GB）、失配位錯(cuò)等組成，能量略高于特殊晶界。 第23頁，共31頁。

11、（3）雜質(zhì)在晶界的分布偏析濃度遠(yuǎn)大于晶粒內(nèi)在晶界成粒狀分布成連續(xù)分布形成晶界相第24頁，共31頁。2.3.5復(fù)合材料中界面形成形成復(fù)合材料的過程中基體組分間可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成晶界相；功能相也可能與基體通過擴(kuò)散形成界面相。通過物理作用、化學(xué)鍵、磨擦粘結(jié)或“釘扎”作用使界面固定下來。在很多場合，復(fù)合材料的界面先是形成的是固相-液相界面；經(jīng)過固化過程才轉(zhuǎn)化為固-固相結(jié)構(gòu)。實(shí)際上復(fù)合材料界面的形成和存在都是在非平衡態(tài)下，所以研究的難度較大。第25頁，共31頁。1.復(fù)合材料需要弄清的一些內(nèi)容界面析出相及其結(jié)構(gòu)；界面區(qū)的厚度；界面區(qū)缺陷的類型與分布；界面處的應(yīng)力；潤濕性與界面能。第26頁，共31頁。人們

12、對(duì)復(fù)合材料中的界面的重要性已得到廣泛的關(guān)注，提出了界面工程。晶界工程就是獲取理想的晶粒度、晶界相和晶界形貌的技術(shù)。即獲取特殊功能（如高結(jié)合強(qiáng)度、規(guī)則的晶界勢壘和雜質(zhì)分布等）的同種（晶界）或異種（相界）的界面。通過對(duì)界面的研究（理論研究和計(jì)算機(jī)模擬）和認(rèn)識(shí)，對(duì)界面微區(qū)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使復(fù)合材料的性能進(jìn)一步提高。第27頁，共31頁。2.4 表面界面研究方法簡介 分析手段：由一些能譜技術(shù)、利用量子力學(xué)隧道效應(yīng)、粒子衍射和顯微技術(shù)等類型。 能譜可以按照其物理過程，分為電子能譜、離子能譜、聲子譜、光子譜、熱脫附（原子）譜等等。能譜分析的基本思想是用一定能量的某種射線或粒子束（稱一次束）去激發(fā)固體，產(chǎn)生出帶有

13、表面信息的射線或粒子束（稱二次束）從這些粒子的信息來知悉表面的狀態(tài) 。第28頁，共31頁。2.4.1 研究表面原子排列和形貌的主要方法 1. 低能電子衍射 （LEED）；2. 表面敏感擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(SEXAFS) ；3. 場離子顯微鏡(FIM) ；4. 電子顯微鏡(EM)。電子顯微鏡有透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）兩種。第29頁，共31頁。 2.4.2 掃描探針技術(shù)掃描探針技術(shù)（Scanning Probe Technical, SPT），由掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscopy, SPM）和掃描探針譜儀（Scanning Probe Spectroscopy, SPS）等組成。這種技術(shù)既能觀察原子結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)，還能對(duì)表面原子進(jìn)行操作。 掃描探針（SPT）技術(shù)