《材料科学基础》课程教学课件（PPT讲稿）表面及界面

3.3表面与界面晶体中的表面与界面属于面缺陷在三维空间中，一个方向上的尺寸很小（原子尺寸大小），另外两个方向上的尺寸很大（晶粒数量级）的二维晶体缺陷界面：相与相之间的交界，即两相间的接触面固-固、液-液、固-液、固-气和液-气类型面缺陷类型：外表面：固体材料与气体或液体的分界面内界面：晶界、亚晶界、李晶界、相界晶体内面缺陷：堆垛层错

3.3 表面与界面 晶体中的表面与界面属于面缺陷 在三维空间中，一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小) ，另外两个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)的二维晶体缺陷 界面：相与相之间的交界，即两相间的接触面 固-固、液-液、 固-液、固-气和液-气类型 面缺陷类型： 外表面：固体材料与气体或液体的分界面 内界面：晶界、亚晶界、孪晶界、相界 晶体内面缺陷：堆垛层错

3.3.1外表面外表面：固体材料与气体或液体的分界面，在固体外表面容易发生吸附现象周围介质中其它的物质粒子固体表面上的原子或受力不均匀分子，不可移动。不平衡力场得到某种程度的补偿固体表面存在有指向的剩余力场，使固体表面表现出对其他物质有吸引作用（如吸附、润湿等），称为固体表面力吸附作用物理吸附化学吸附吸附力范德华力化学键力吸附热小，接近液化热大，接近于反应热单层吸附层数单层或多层吸附温度低温下吸附量大在较高温度下发生快慢吸附速率易达到不易达到吸附平衡有选择性一般无选择性难脱附脱附性质可完全脱附

固体表面存在有指向的剩余力场，使固体表面表现出对其他物质有吸引作用（如吸附、润 湿等），称为固体表面力 3.3.1 外表面 外表面：固体材料与气体或液体的分界面，在固体外表面容易发生吸附现象 吸 附 作 用 物理吸附 化学吸附 吸附力 范德华力 化学键力 吸附热 小，接近液化热 大，接近于反应热 吸附层数 单层或多层 单层 吸附温度 低温下吸附量大 在较高温度下发生 吸附速率 快 慢 吸附平衡 易达到 不易达到 选择性 一般无选择性 有 脱附性质 可完全脱附 难脱附

表面性质：表面质点所处环境不同于内部质点，存在悬键或受力不均而处于较高能态，呈现一系列特殊的性质·表面原子几何结构出现弛豫或重构形成了新的对称性，晶格结构，发生相变，同时表面上还会产生各种微观缺陷·表面原子的迁移和扩散更容易表面原子配位数的减少，相对于体内环境，表面原子迁移和扩散克服的能量势垒较低·表面上形成新的电子结构影响熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、表面光/电吸收和发射、表界面电子传输特性、强度、韧性、导热、导电、介电、传感等性质：表面存在不饱和价键，化学上表现活泼引起吸附、润湿、化学活性、化学反应等方面的变化，这种特殊的表面电子结构使外来原子/分子已被活化，引起“催化“反应

表面性质：表面质点所处环境不同于内部质点，存在悬键或受力不均而处于较高能态， 呈现一系列特殊的性质 • 表面原子几何结构出现弛豫或重构 形成了新的对称性，晶格结构，发生相变，同时表面上还会产生各种微观缺陷 • 表面原子的迁移和扩散更容易 表面原子配位数的减少，相对于体内环境，表面原子迁移和扩散克服的能量势垒较低 • 表面上形成新的电子结构 影响熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、表面光/电吸收和发射、表界面电子传输特性、强 度、韧性、导热、导电、介电、传感等性质 • 表面存在不饱和价键，化学上表现活泼 引起吸附、润湿、化学活性、化学反应等方面的变化，这种特殊的表面电子结构使外来 原子/分子已被活化，引起“催化“反应

表面表面平面重构法向弛豫0.02nm离子重排弛豫、重构、重排等变化使得表面能减小，能量趋于稳定

ds 内部 表面 d0 d0 内部 表面 d0 法向弛豫 平面重构 离子重排 弛豫、重构、重排等变化 使得表面能减小，能量趋 于稳定

表面能()：晶体表面原子位置与键合的不平衡造成表面点阵畸变，单位面积自由能的增加y=dW/ds产生单位面积dS表面所作的功～【被割断的结合键数/形成单位新表面]×[能量/每个键]影响的因素：(001，成大的(1）与晶体表面原子排列的致密程度有关(H1)原子密排晶面有最小的表面能110-(110(2)与晶体表面曲率有关曲率半径小，曲率大，愈大111(n(3）外部介质的性质(001)介质不同，与不同晶面的结合带来的能量变化不同，则不同(4)与晶体性质有关晶体本身结合能高，则大。一般原子晶体表面能大于离子晶体、金属晶体

表面能(γ)：晶体表面原子位置与键合的不平衡造成表面点阵畸变，单位面积 自由能的增加 γ= dW/dS 产生单位面积dS表面所作的功 γ ≈ [被割断的结合键数/形成单位新表面]×[能量/每个键] 影响γ的因素： (1) γ与晶体表面原子排列的致密程度有关 原子密排晶面有最小的表面能 (2) γ与晶体表面曲率有关 曲率半径小，曲率大，γ愈大 (3) 外部介质的性质 介质不同，与不同晶面的结合带来的能量变化不同，则γ不同 (4) γ与晶体性质有关 晶体本身结合能高，则γ大。一般原子晶体表面能大于离子晶体、金属晶体

Y(001) = 0.90 J/m2 ≥ Y(100) = 0.53 J/m2 ≥ Y(101 = 0.44 J/m2(101) > 94 %Anatase TiO22c-06c-Ti5c-Ti(101)2HBCNOFSiPSCIBrI(101)X12C-00.980.6(001)0.0FCleanHBCNOFSiPSCIBrXE(001) = 0.91J/m2E(f-001) = - 0.61 J/m2H. G. Yang etl, Nature, 2008, 453, 638-641

Anatase TiO2 {101} > 94 % H. G. Yang etl, Nature, 2008, 453, 638-641. E{001} = 0.91 J/m2 → E{F-001} = - 0.61 J/m2

实际晶体表面形貌扭折偏离的大小和方向通过调节台阶或扭折的密度来实现平台密排面台阶ds平台-台阶-扭折模型

实际晶体表面形貌 平台-台阶-扭折模型 平台 密排面 台阶 偏离的大小和方向通过调节 台阶或扭折的密度来实现

3.3.2晶界和亚晶界晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面为晶界，晶粒的平均直径通常在0.0150.25mm范围内亚晶界：每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界，亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内。晶界示意图亚晶界示意图

3.3.2 晶界和亚晶界 晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面为晶界，晶粒的平均直径通 常在0.015—0.25mm范围内 亚晶界：每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒 间的界面称为亚晶界，亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内

确定晶界位置：(1)两晶粒的位向差0(2)晶界相对于一个点阵某一平面的夹角(b)(a)按0的大小分类：小角度晶界：010°

确定晶界位置： (1)两晶粒的位向差θ (2)晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ 按θ的大小分类： 小角度晶界：θ10º

1.小角度晶界小角度晶界：由一系列相隔一定距离的位错组成(1)对称倾斜晶界晶界平面为两个相邻晶粒的对称面，由一列平行的刃型位错所组成(2)不对称倾斜晶界两晶粒不以二者晶界为对称的晶界，看成两组互相垂直的刃型位错排列而成的(3）扭转晶界将一块晶体沿横断面切开，并使上部分晶体绕轴转动0角，再与下部分晶体粘在一起形成，可看成是由互相交叉的螺位错组成

1. 小角度晶界 小角度晶界：由一系列相隔一定距离的位错组成 (1)对称倾斜晶界 晶界平面为两个相邻晶粒的对称面，由一列平行的刃型位错所组成 (2)不对称倾斜晶界 两晶粒不以二者晶界为对称的晶界，看成两组互相垂直的刃型位错排列 而成的 (3)扭转晶界 将一块晶体沿横断面切开，并使上部分晶体绕轴转动θ角，再与下部分晶 体粘在一起形成，可看成是由互相交叉的螺位错组成