1、第一部分 材料表面與界面的結構1.1 固體的表面一、理想表面d內部表面理想表面示意圖理論上結構完整的二維點陣平面。理論前提：1、不考慮晶體內部周期性勢場在晶體表面中斷的影響；2、不考慮表面原子的熱運動、熱擴散、熱缺陷等；3、不考慮外界對表面的物理-化學作用等；4、認為體內原子的位置與結構是無限周期性的，則表面原子的位置與結構是半無限的，與體內完全一樣。第1頁/共56頁二、清潔表面不存在任何吸附、催化反應、雜質擴散等物理-化學效應的表面。1、臺階表面 - 表面不是平面，由規則或不規則臺階組成。（表面的化學組成與體內相同，但結構可以不同于體內）晶面1（平面）晶面3 （連接面）晶面2 （立面）清潔表

2、面可分為三種：臺階表面、弛豫表面 、重構表面 第2頁/共56頁2、弛豫表面 -指表面層之間以及表面和體內原子層之間的垂直間距ds和體內原子層間距d0相比有所膨脹和壓縮的現象。可能涉及幾個原子層。ds內部表面d0第3頁/共56頁3、重構表面 - 指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內，但在垂直方向上的層間間距d0與體內相同。d0內部表面d0第4頁/共56頁三、吸附表面在清潔表面上有來自體內擴散到表面的雜質和來自表面周圍空間吸附在表面上的質點所構成的表面。吸附表面可分為四種吸附位置：頂吸附、橋吸附 、填充吸附、中心吸附 頂吸附橋吸附填充吸附中心吸附俯視圖剖面圖第5頁/共56頁四、表面自由能 在

3、建立新表面時，鄰近原子將丟失，鍵被切斷，因此，必須對系統作功； 同樣，在一定溫度和壓力下，并保持平衡條件，若增加表面能，系統也必須作功。對所有單組分的系統，表面總的自由能改變為：G-表面自由能； S-熵； T-溫度V-體積； p-壓力； -表面張力； A-表面積第6頁/共56頁五、表面偏析 雜質由體內偏析到表面，使多組分材料體系的表面組成與體內不同。將偏析與表面張力聯系起來：(1) 若2 1, 表面張力較小的組分將在表面上偏析(富集);(2) 若2= 1, 不存在表面偏析。第7頁/共56頁1.2 表面二維結構平面 二維 格點陣列 二維格子示意圖格點 格點可以是一個原子（即Bravais布喇菲格

4、子）； 格點也可以是原子團；二維格子中任意格點的位矢：、為二維格子的基矢。也是原胞的兩條邊。第8頁/共56頁 二維格子的數目是有限的，實際上只有5種Bravais格子，即斜形、方形、六角形、矩形以及中心矩形，其基矢如下：名 稱格子符號基矢關系晶 系斜形方形六角形矩形中心矩形PPPPCab， 90，任意a=b， =90a=b， =120ab， =90ab， =90斜形正方六角矩形矩形二維Miller指數Miller指數標記二維晶格中平行晶列的各種取向。如（hk） 注意與晶面指數的區別。？第9頁/共56頁表面結構命名法Wood命名法22 矩陣命名法自學第10頁/共56頁1.3 常見的表面結構一、金

5、屬表面結構 目前已確定有100多種表面結構。以下主要介紹金屬表面結構、半導體表面結構、氧化物表面結構以及薄膜表面結構。 清潔的金屬表面，低能電子衍射（LEED）研究表明具有如下特點：1、其Miller指數面的表面單胞多為（1 1）結構；2、表面單胞與體內單胞在表面的投影相等；3、表面鍵長與體內鍵長相近；第11頁/共56頁4、垂直于表面的最上層與第二層的間距接近于體內的值，變動 小于5%。一些（較少）非緊密堆積的晶面，約有5% - 15%的 縮短；5、非緊密堆積的原子比緊密堆積的原子更趨向于松弛；6、有些晶面上吸附原子后，表面和體內的鍵長差別減小甚至消 失（可能是表面斷裂的鍵由于吸附雜質原子而獲

6、得恢復）。第12頁/共56頁二、半導體表面結構清潔的半導體表面，具有如下特點：1、表面普遍發生重構現象；2、半導體表面結構具有各自穩定性的溫度范圍，溫度太高或太低，表面會從一種結構轉變為另一種結構；實例1：Si（111）面附近劈裂面在不同溫度下實時轉變狀態的 STM圖像；.實例2：GaAs在（100）、（111）、（111）極性表面有大量重 構發生，在（110）非極性表面未發現重構現象。第13頁/共56頁三、氧化物表面結構 對于氧化物表面，一般都出現重構現象，主要原因是非化學計量的誘導和氧化態變化造成的。實例：氧化態TiO2，表面吸氧或脫氧，變成 Ti2O3、 TiO等 .第14頁/共56頁四

7、、薄膜表面結構 對于薄膜表面，交換著原子、離子、電子、光子以及其它粒子，并決定薄膜一系列的光學、電學、磁學、力學、生物學等性質。對于薄膜表面結構，受到如下因素的影響：1、薄膜制備過程中的各種條件；2、基底材料種類與晶面；3、薄膜與基底之間的界面。所以，薄膜表面結構非常復雜。實例：從金屬薄膜的電子衍射花樣（薄膜厚度不同可以有彌散環、擇優取向清銳環以及無擇優取向清銳環等）、STM圖像或AFM圖像等可說明。第15頁/共56頁1.4 固體的界面界面：兩相之間的接觸面。如相界面、內界面、晶界等。界面類型從晶體學角度：平移界面孿晶界面反演界面從實用角度：氣固界面半導體界面薄膜界面超晶格界面一、界面類型第1

8、6頁/共56頁1、平移界面 在結構相同的晶體中，一部分相對于另一部分平滑移動一個位移矢量 。其間的界面稱為平移界面。A.P.BSFA.P.B - 等于點陣矢量，稱反相界面；SF - 不等于點陣矢量，稱層錯。第17頁/共56頁2、孿晶界面3、混合界面孿晶界面又稱取向界面。孿晶界面與平移界面混合后的界面。第18頁/共56頁4、反演界面 當晶體結構由中心對稱向非中心對稱轉變時，由反演操作聯系起來的兩個疇之間形成反演界面IB。反演界面兩側點陣相同，但通過一個反演中心聯系著。I B左側右側第19頁/共56頁二、界面的微觀結構 指晶粒間界的結構，是在晶體結晶過程中形成的，存在于多晶材料中。晶界區的晶粒表面

9、原子，由于受到相鄰晶粒勢場的作用，這些原子將在晶界區重新排列并達到平衡狀態。晶粒1晶粒2晶界晶界原子排列示意圖 據晶界結構相鄰晶粒取向差別角度的大小，可分為小角晶界和大角晶界。第20頁/共56頁 1、晶界原子排列的理論模型自學 2、小角晶界兩個相鄰晶粒取向差別角度在0-10之間。較小的小角晶界可用位錯排列來說明。如下圖。小角傾轉晶界示意圖P54 圖第21頁/共56頁3、大角晶界 當兩個相鄰晶粒取向差別角度超過15時為大角傾斜晶界，此時晶界內位錯密集，當超過35時，位錯覆蓋整個界面。4、共格晶界 界面兩邊相鄰晶粒的原子成一一對應的相互匹配關系。界面上的原子為相鄰兩個晶體所共有。共有原子 相鄰晶粒的面間距差不多時，可完全共格；面間距相差較大時，出現部分共格。第22頁/共56頁5、晶界能與晶界電勢晶界能：晶界處的界面能。晶界電勢： 小角度范圍（0處,則功函數為:-N個電子系統在膠體中的基態能量;-在同一膠體中(N-1)個電子系統的能量;-電子處在(-)處的靜電能。式中:三個參數的表達式的求