課程論文：探討科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中涉及材料表面與界面問題

材料改性課?程論文主題：探討科技創(chuàng)?新實(shí)驗(yàn)中涉?及的材料表?面與界面問?題姓名：陳小飛班級(jí)：無機(jī)110?2導(dǎo)師：劉鵬2014年?6月8日目錄引言-------------------------------------------------------------------------2材料表面與?界面研究意?義-------------------------------------------3液體的表面?張力--------------------------------------------------------4液體表面張?力的影響因?素-------------------------------------------6彎曲液面內(nèi)?外壓力差與?曲率半徑關(guān)?系---------------------------7潤濕作用與?接觸角------------------------------------------------------8浮選與接觸?角------------------------------------------------------------9表面活性劑?分子結(jié)構(gòu)及?其分類-------------------------------------9表面活性劑?在液體表面?的吸附------------------------------------10表面活性劑?對納米顆粒?的分散機(jī)理?------------------------------11乳狀液類型?及影響因素?-----------------------------------------------12乳狀液的穩(wěn)?定性---------------------------------------------------------13乳化劑的選?擇與應(yīng)用--------------------------------------------------13參考文獻(xiàn)-------------------------------------------------------------------14引言通過對材料?表面與界面?的學(xué)習(xí)，了解到在有?關(guān)材料的實(shí)?驗(yàn)中很多現(xiàn)?象都可用表?面與界面學(xué)?里的知識(shí)解?釋。比如原料粗?細(xì)形狀、不同的反應(yīng)?溶劑、活性劑的選?擇與實(shí)驗(yàn)結(jié)?果的關(guān)系。不同材料的?親水性與憎?水性也是很?奇特的現(xiàn)象?，以及不同的?分相體系對?反應(yīng)速率的?作用等等。本文主要介?紹材料表面?與界面相關(guān)?知識(shí)，通過實(shí)驗(yàn)中?遇到的現(xiàn)象?分析其中的?作用機(jī)理。材料表面與?界面研究的?意義材料的表面?與其內(nèi)部本?體，無論在結(jié)構(gòu)?上還是在化?學(xué)組成上都?有明顯的差?別，這是因?yàn)椴?料內(nèi)部原子?受到周圍原?子的相互作?用是相同的?，而處在材料?表面的原子?所受到的力?場卻是不平?衡的，因此產(chǎn)生了?表面能。對于有不同?組分構(gòu)成的?材料，組分與組分?之間可形成?界面，某一組分也?可能富集在?材料的表界?面上。即使是單組?分的材料，由于內(nèi)部存?在的缺陷，如位錯(cuò)等，或者晶態(tài)的?不同形成晶?界，也可能在內(nèi)?部產(chǎn)生界面?。材料的表界?面對材料整?體性能具有?決定性的影?響，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)。因此研究材?料的表界面?現(xiàn)象具有重?要的意義。一、液體的表面?張力1.奇特的現(xiàn)象?在石蠟表面?上的小水滴?會(huì)自動(dòng)呈現(xiàn)?出球形;在水面上可?以讓金屬錢?幣漂浮;插入水中的?毛筆的毛是?分散開的,當(dāng)把筆從水?中提出時(shí)發(fā)?現(xiàn)毛并攏成?一體狀.說明:(1)液體表面與?體相液體的?性質(zhì)不完全?相同;(2)液體表面似?乎存在一個(gè)?彈性膜;(3)液體表面有?自動(dòng)縮小的?本能.力學(xué)角度分?析（1）液體內(nèi)部分?子的移動(dòng)無?需做功.處于液體體?相內(nèi)的任一?分子受到其?周圍四面八?方分子的作?用力是相等?的,可以互相抵?消.（2）自然形成的?液滴總是傾?向于形成表?面積最小的?球形或類球?形.處于液體表?面的分子受?到液體內(nèi)部?分子的作用?力遠(yuǎn)大于另?一側(cè)氣體分?子的作用力?,因此,液體表面的?分子有自動(dòng)?向液體內(nèi)部?遷移的趨勢?,這樣液體表?面的水減少?,液體表面自?動(dòng)縮小。（3）表面張力與?溫度、壓力及液體?組成相關(guān)把液體表面?看作厚度為?零的均勻伸?縮的彈性膜?，表面張力是?作用于液體?表面上任何部分單位?長度直線上?的收縮力，力的方向是?與該直線垂?直并于液面?相切。表面張力是溫度?、壓力、和液體組成?的函數(shù)。即，溫度、壓力、組成恒定時(shí)?，液體表面張?力也是恒定?值。能量角度分?析當(dāng)液體表面?增大時(shí)，是體相中分?子遷移至表?面，這時(shí)就需要?對體系做功?。已知在恒溫?、恒壓條件下?擴(kuò)大液體表?面，外界對體系?做的功等于?體系自由能?的增量G，若體系液面?面積改變A，則擴(kuò)大單位?面積，體系自由能?增量為比表?面自由能（簡稱表面自?由能，也含糊地叫?做表面能）：即=G/A（）表面自由能?是單位液面?上物質(zhì)比其?在液體體相?內(nèi)自由能的?增量，因此它是過?剩量。對于純液體?，在只做膨脹?功和表面功?的可逆過程?中，熱力學(xué)關(guān)系?式為：dU=TdS-pdV+dAdH=TdS+Vdp+dAdF=-SdT-pdV+dAdG=-SdT+Vdp+dA式中：U—體系的內(nèi)能?；H—體系的焓；F—Helmh?oltz自由能；G—Gibbs?自由能；p—壓力；V—體積；T—熱力學(xué)溫度?；S—熵；—表面張力；A—體系表面積?。因此，是在不同的?指定條件下?，擴(kuò)大單位面?積、體系內(nèi)能、焓、Helmh?oltz自由能、Gibbs?自由能的增?量。(?U/?A)S,p是液體的總?表面能增量?，或簡稱表面?能。而(?G/?A)T,p是液體表面?張力或表面?（過剩）自由能?？偟谋砻婺?包括擴(kuò)大單?位面積時(shí)體?系以功的形?式得到的能?量（表面自由能?）和以熱的形?式得到的能?量—T(?/?T)A.p.對于純液體?，(?/?T)A.p<0,因此—T(?/?T)A.p>0.即，總表面能總?是大于表面?自由能。液體表面張?力的影響因?素1.物質(zhì)的本質(zhì)?液體表面張?力是指將液?體分子從體?相中拉到表?面上所做功?的大小，因此它與液?體分子之間?的相互作用?力的性質(zhì)與?大小有關(guān)。相互作用強(qiáng)?烈，不易脫離體?相，表面張力就?大。如水分子間?有氫鍵作用?，并可形成結(jié)?構(gòu)，因此水是常?見液體中表?面張力最大?的。一般情況下?：（1）液態(tài)金屬的?表面張力大?是由于金屬?鍵的強(qiáng)度大?，使其相對移?動(dòng)困難，在室溫液態(tài)?物質(zhì)中以汞?的表面張力?最高；（2）有機(jī)液體的?表面張力一?般都小于5?，其中非極性?液體（如烷烴）分子間僅有?vande?rWaals?力作用，表面張力比?含極性基團(tuán)?的有機(jī)液體?（如醇、酸）等的要低。（3）在同系有機(jī)?物中分子量?大的表面張?力較高。2.溫度的影響?由于溫度升?高使分子熱?運(yùn)動(dòng)加劇，分子間作用?力減弱，表面張力多?隨著溫度升?高而減小。即，純液體的表?面張力系數(shù)?均為負(fù)值。同時(shí)升高溫?度使液體的?飽和蒸汽壓?增大，氣相中分子?密度增加，也使氣相分?子對液體表?面分子的作?用力增大，導(dǎo)致液體表?面張力減小?。當(dāng)溫度達(dá)到?臨界溫度T?c時(shí)，液相和氣相?界線消失，表面張力為?零。3.壓力的影響?壓力對液體?表面張力的?影響很小，即使實(shí)際觀?測到壓力對?表面張力有?某些影響也?極可能由于?氣體的吸附?與溶解而引?起的。彎曲液面內(nèi)?外壓力差與?曲率半徑關(guān)?系——Lapla?ce公式1.Lapla?ce公式彎曲液面與?平液面不同?,彎曲液面表?面張力在法?線方向的合?力不等于零?.凸液面:表面張力合?力方向指向?液體內(nèi)部；凹液面：合力方向指?向液體上方?。為了保持彎?曲液面的存?在與平衡，彎曲液面內(nèi)?外兩側(cè)有壓?力差：彎曲液面突?向一側(cè)的壓?力總是小于?另一側(cè)的?；蛘哒f：液面兩側(cè)有?壓力差時(shí)，能夠形成彎?曲液面，液面突向的?一側(cè)壓力小?，兩側(cè)壓力差?與液體表面?張力和彎曲?液面的曲率?半徑有關(guān)。根據(jù)水中的?氣泡受到的?內(nèi)外壓力差?與體系自由?能變化情況?，得到球形界?面的Lap?lace公?式：對于主曲率?半徑為R1?和R2的任?一曲面，可以得到L?aplac?e公式的普?遍形式：（1）當(dāng)p指彎曲液?面的內(nèi)外壓?力差：p=p內(nèi)-p外，p內(nèi)通常指?曲率半徑為?正值一側(cè)壓?力，如氣泡內(nèi)的?壓力；曲率半徑的?正負(fù)號(hào)要取?正確。（2）對于彎曲液?面，若將液相作?為內(nèi)側(cè)，液面的曲率?半徑可能是?正的，也可能是負(fù)?的。如水中的氣?泡，氣液界面曲?率半徑為-r，液面稱為凹?液面；若考慮空氣?中的小液滴?，以液相為內(nèi)?側(cè)，曲率半徑為?r，這種液面稱?為凸液面。（3）形成凸液面?時(shí),p>0,液相內(nèi)壓力?大于另一側(cè)?氣相的壓力?；形成凹液面?時(shí)，p<0，液相內(nèi)壓力?小于另一側(cè)?氣相的壓力?；形成平液面?時(shí)，r=∞，p=0，兩側(cè)壓力相?等。（4）根據(jù)Lap?lace公?式，r越小，p越大。如水中小氣?泡的情況。潤濕作用與?接觸角1.潤濕作用（1）定義：物體表面一?種流體被另?一種流體取?代的過程叫?潤濕。如果如果液?體取代固體?表面的氣體?，形成新的固?液界面，叫做沽濕。如果固體浸?入液體，則叫做浸濕?。（2）過程自由能?變化沽濕：若恒溫恒壓?下形成單位?界面，自由能變化?為-GA=sg+lg-sl=WAWA稱為黏?附功，是將單位面?積固液界面?拉開外界需?做的最小功?，它表征固液?界面（即固體和液?體分子間）作用力的大?小。WA>0,則-GA<0，沽濕過程自?發(fā)進(jìn)行。鋪展：液體自發(fā)在?固體表面展?開成一薄層?。形成單位界?面時(shí)的自由?能改變：-GS=sg-lg-sl=SS-鋪展系數(shù)，自發(fā)進(jìn)行時(shí)?，-GS<0浸濕：形成單位界?面時(shí)的自由?能改變-GI=sg-sl=WIWI稱為浸?潤功，自發(fā)進(jìn)行的?條件：WI>0浮選與接觸?角測定接觸角?后可以用來?計(jì)算固體的?表面能，潤濕熱，吸附量等有?用的數(shù)據(jù)。在工業(yè)上接?觸角的研究?的最大應(yīng)用?在泡沫浮選?：在礦漿中加?入起泡劑等?后通入空氣?形成泡沫，由于水對礦?石粉不同組?成的潤濕性?質(zhì)不同，有用礦粉體?附著在泡沫?上并上浮分?離，無用的礦粉?體則沉入水?底。每年全世界?用浮選法分?離的礦石達(dá)?到10億噸?以上。最佳顆粒范?圍：7-74微米表面活性劑?分子結(jié)構(gòu)及?其分類表面活性劑?（surfa?ceactiv?eagent?，surfa?ctant?）：在很低的濃?度就可以顯?著降低溶劑?（主要是水）的表面張力?，且具有實(shí)用?價(jià)值的天然?或合成的兩?親有機(jī)物質(zhì)?成為表面活?性劑。表面活性劑?分子結(jié)構(gòu)特?點(diǎn)及其分類?表面活性劑?分子具有兩?親性，既具有親油?的疏水基團(tuán)?（hydro?phobi?cgroup?），也有疏油的?親水基團(tuán)（hydro?phili?cgroup?），這類分子叫?兩親分子（amphi?phili?cmolec?ules，amphi?phile?s）。表面活性劑?在水或油中?的溶解度受?這兩類基團(tuán)?相對強(qiáng)弱的?影響。如18碳以?上表面活性?劑在水中的?溶解度很小?。常用的親水?基團(tuán)：羰基、磺酸基、硫酸酯基、聚氧乙烯基?、季銨基、吡啶基、多元醇基等?。常用的疏水?基團(tuán)：碳?xì)渫闊N鏈?、碳氟烷烴鏈?、聚硅氧烷鏈?、聚氧丙烯基?、烷基苯基等?。表面活性劑?分類：一般根據(jù)其?在水中是否?電離和電離?時(shí)形成的具?有表面活性?的離子帶電?符號(hào)分類：非離子型：脂肪醇聚氧?乙烯醚、烷基酚聚氧?乙烯醚、烷基葡萄糖?苷、失水山梨醇?脂肪酸酯、聚氧乙烯失?水山梨醇脂?肪酸酯等。（TWEEN?20,40,60,80,PEO-PPO-PEO）陰離子型：烷基硫酸鈉?、烷基苯磺酸?鈉、烷基聚氧乙?烯醚磺酸鈉?、烷基羧酸鈉?、琥珀酸二異?辛酯磺酸鈉?等。（SDS）陽離子型：烷基三甲基?溴化銨、烷基三甲基?氯化銨、二烷基二甲?基溴化銨等?。（CTAB,CTAC）兩性型：烷基甜菜堿?、磺基甜菜堿?、羰基咪唑啉?、氨基羧酸等?。（如，羥基磺丙基?甜菜堿）表面活性劑?在液體表面?的吸附表面過剩無論純液體?或多組分溶?液，表面上的分?子受到構(gòu)成?界面的兩相?分子作用力?的不平衡，總會(huì)有表面?張力的存在?，即表面自由?能，同時(shí)也導(dǎo)致?表面區(qū)域物?質(zhì)的密度與?體相中的不?相同，這種現(xiàn)象叫?做吸附。表面活性劑?在水中,根據(jù)相似相?容原則,表面活性劑?分子中的極?性分子傾向?于留在水中?,而疏水部分?則傾向于伸?出水面,或朝向非極?性的有機(jī)溶?劑中.因此表面活?性劑分子自?發(fā)地從溶液?內(nèi)部遷移至?表面或界面?,并在此富集?,整齊地排列?取向.這個(gè)富集的?過程稱為吸?附.表面活性劑?的吸附作用?可以分成兩?類:(1)在溶液界面?的吸附,與起泡-消泡、乳化-去乳化、鋪展、增溶、表面膜等界?面現(xiàn)象相關(guān)?；（2）固-液界面的吸?附，與潤濕、分散、固體表面改?性等有關(guān)。表面活性劑?對納米顆粒?的分散機(jī)理?1.電離質(zhì)點(diǎn)本身有?可電離的基?團(tuán)，如，在酸性條件?下，氨基會(huì)因接?受H+而形成—NH2使蛋?白質(zhì)分子帶?正電，而在水中電?離使蛋白質(zhì)?帶負(fù)電。類似的，淀粉、藻酸等質(zhì)點(diǎn)?上的電荷大?多是表面基?團(tuán)電離而帶?電。2.吸附帶電離?子石蠟、油珠、纖維等雖然?自身在水中?不能電離而?帶電，但卻可以從?水中吸附H?+和OH-等離子而帶?電。陽離子因其?離子半徑小?而水化能力?強(qiáng)，不容易被吸?附，因此固-水界面往往?因吸附陰離?子而帶負(fù)電?。Fajan?s規(guī)則：能與晶體的?組成離子形?成不溶物的?離子將被優(yōu)?先吸附?？梢愿鶕?jù)此?規(guī)則判斷質(zhì)?點(diǎn)所帶電荷?的性質(zhì)。3.油介質(zhì)中質(zhì)?點(diǎn)的帶電現(xiàn)?象在油體系中?，電離理論不?能應(yīng)用于質(zhì)?點(diǎn)的帶電，但油分散體?系中的質(zhì)點(diǎn)?存在電動(dòng)現(xiàn)?象。如，油介質(zhì)中質(zhì)?點(diǎn)表面電荷?來自兩相對?電子的親和?力不同。由于質(zhì)點(diǎn)的?熱運(yùn)動(dòng)相當(dāng)?于質(zhì)點(diǎn)與介?質(zhì)之間的摩?擦，在碰撞過程?中電子可以?從一相流入?另一相，而使得質(zhì)點(diǎn)?帶電。乳狀液類型?及影響因素?乳化作用:在一定條件?下使不能相?互混溶的兩?種液體形成?有一定穩(wěn)定?性的液液分?散體系的作?用.乳化劑是制?備具有穩(wěn)定?性乳液的基?本條件。乳狀液的類?型:O/W,W/O影響因素:油,水相的性質(zhì)?及體積比,乳化劑和添?加劑的性質(zhì)?,周邊環(huán)境如?溫度,器壁等.能夠形成乳?狀液的原因?能量因素（定向楔理論?）乳化劑在油?/水界面形成?兩個(gè)界面膜?,有兩個(gè)界面?張力,界面張力小?的一側(cè)界面?易擴(kuò)大,易構(gòu)成外相?或連續(xù)相,界面張力大?的一側(cè)就成?為內(nèi)相或分?散相.即水溶性好?的乳化劑在?親水端界面?有比較小的?界面張力,易擴(kuò)大該界?面,形成O/W型的乳狀?液,較高界面張?力的油相一?側(cè)形成內(nèi)相?.(2)幾何因素若在油水界?面上乳化劑?呈單層緊密?排列,乳化劑親水?基和疏水基?截面積大小?對乳狀液的?類型產(chǎn)生影?響.截面積大的?一端親和的?液體將成為?乳狀液的外?相,另一相成為?內(nèi)相.(3)液滴聚結(jié)動(dòng)?力學(xué)將乳化劑、水、油攪拌，既可形成水?滴，也可形成油?滴，水滴和油滴?各自聚結(jié)速?度大的一類?構(gòu)成乳狀液?外相。從乳化劑的?兩親性質(zhì)來?說，與親水、親油性占優(yōu)?勢的一側(cè)基?團(tuán)親和力強(qiáng)?的液相將成?為乳狀液的?連續(xù)相（外相）。比如，乳化劑分子?中親水性基?團(tuán)占優(yōu)勢，則容易形成?O/W型乳液。（4）將相同半徑?球體緊密堆?積，球體最多能?占總體積的?74%，其余26%是空的，即乳狀液分?散相體積分?數(shù)最多為7?4%。相體積分?jǐn)?shù)?在26-74%之間，W/O和O/W都有可能?；在26%之下和74?%以上，只能形成一?種類型乳液?。乳狀液的穩(wěn)?定性乳液熱力學(xué)?不穩(wěn)定體系?，很容易分層?、聚結(jié)與絮凝?（聚集）、變型和破乳?。（1）界面膜的穩(wěn)?定作用界面膜的吸?附能力和膜?的強(qiáng)度；（2）電效應(yīng)穩(wěn)定?雙電層和電?位分析；（3）固體顆粒的?穩(wěn)定效應(yīng)；（4）液晶穩(wěn)定效?應(yīng)；乳化劑的選?擇（1）選擇條件良好的表面?活性，降低油/水表面張力?；乳化劑形成?的界面膜，且膜的黏度?及力學(xué)性能?；油溶性乳化?劑容易得到?W/O型，水溶性乳化?劑易得到O?/W型；（2）選擇方法HLB方法?（沒有考慮溫?度的影響）離子型表面?活性劑高溫?形成O/W型，低溫形成W?/O型；非離子型則?相反，升高溫度，HLB和P?IT都下降?。PIT（相轉(zhuǎn)變溫度?）方法：O/W，低于PIT?2-40C時(shí)制?備，W/O高于PI?T10-400C制?備。濁點(diǎn)法等在確定乳化?劑的有機(jī)性?和無機(jī)性基?礎(chǔ)上，選擇活性劑?。乳化劑的應(yīng)?用化妝品；食品乳化劑?，藥物乳狀液?，瀝青乳狀。參考文獻(xiàn)：《材料表面與?界面》胡福增出版社：華東理工大?學(xué)出版社出版日期：2008年?01月通過CVD?技術(shù)實(shí)現(xiàn)半?導(dǎo)體材料外?延生長一．氣相外延的?作用（1）.提高硅材料?的完美性（2）.提高集成度?（3）.提高少子的?壽命，減少儲(chǔ)存單?元的漏電流?（4）提高電路的?速度（5）改變電路的?功率特性以?及頻率特性?（6）解決CMO?S電路的鎖?定（7）實(shí)現(xiàn)各種材?質(zhì)的多種薄?膜外延二、單晶硅的氣?相外延生長?方法，屬于半導(dǎo)體?制造領(lǐng)域，包括以下步?驟：a、提供可供預(yù)?處理的基底?；b、清洗；c、提供可供單?晶硅外延生?長的腔體，腔體內(nèi)設(shè)有?基底儲(chǔ)放裝?置，并將基底放?置于基底儲(chǔ)?放裝置上；d、向腔體內(nèi)通?入還原性氣?體，并將腔體內(nèi)?壓強(qiáng)和溫度?調(diào)至所需壓?強(qiáng)和溫度；e、向腔體內(nèi)通?入氣態(tài)硅源?，在基底表面?生成預(yù)設(shè)厚?度的犧牲層?；f、在犧牲層上?方形成單晶?硅層；g、將單晶硅層?和犧牲層的?連接體與基?底分離?；瘜W(xué)氣相沉?積(CVD)是半導(dǎo)體工?業(yè)中應(yīng)用最?為廣泛的用?來沉積多種?材料的技術(shù)?，包括大范圍?的絕緣材料?，大多數(shù)金屬?材料和金屬?合金材料。從理論上來?說，它是很簡單?的：兩種或兩種?以上的氣態(tài)?原材料導(dǎo)入?到一個(gè)反應(yīng)?室內(nèi)，然后他們相?互之間發(fā)生?化學(xué)反應(yīng)，形成一種新?的材料，沉積到晶片?表面上。淀積氮化硅?膜(Si3N4?)就是一個(gè)很?好的例子，它是由硅烷?和氮反應(yīng)形?成的。然而，實(shí)際上，反應(yīng)室中的?反應(yīng)是很復(fù)?雜的，有很多必須?考慮的因素?，沉積參數(shù)的?變化范圍是?很寬的：反應(yīng)室內(nèi)的?壓力、晶片的溫度?、氣體的流動(dòng)?速率、氣體通過晶?片的路程(如圖所示)、氣體的化學(xué)?成份、一種氣體相?對于另一種?氣體的比率?、反應(yīng)的中間?產(chǎn)品起的作?用、以及是否需?要其它反應(yīng)?室外的外部?能量來源加?速或誘發(fā)想?得到的反應(yīng)?等。額外能量來?源諸如等離?子體能量，當(dāng)然會(huì)產(chǎn)生?一整套新變?數(shù)，如離子與中?性氣流的比?率，離子能和晶?片上的射頻?偏壓等。然后，考慮沉積薄?膜中的變數(shù)?：如在整個(gè)晶?片內(nèi)厚度的?均勻性和在?圖形上的覆?蓋特性(后者指跨圖?形臺(tái)階的覆?蓋)，薄膜的化學(xué)?配比(化學(xué)成份和?分布狀態(tài))，結(jié)晶晶向和?缺陷密度等?。當(dāng)然，沉積速率也?是一個(gè)重要?的因素，因?yàn)樗鼪Q定?著反應(yīng)室的?產(chǎn)出量，高的沉積速?率常常要和?薄膜的高質(zhì)?量折中考慮?。反應(yīng)生成的?膜不僅會(huì)沉?積在晶片上?，也會(huì)沉積在?反應(yīng)室的其?他部件上，對反應(yīng)室進(jìn)?行清洗的次?數(shù)和徹底程?度也是很重?要的。化學(xué)氣相外?延的原理以?及基本材料?的制備原理??氫還原法四氯化硅在?高溫下與氫?作用，被還原析出?硅，其反應(yīng)如下: 此反應(yīng)是可?逆反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)物濃?度較大，而亙溫度適