文档介绍：第六章表面与界面
•固体的表面
•固体的界面
•晶界
•固体表面是固相和气相(或真空)的接触面。
•一个固相与另一个固相(结构不同)接触面称为
固体界面。
●多晶材料的界面分为:
同相界面:相同化学成分和晶体结构的晶粒间界面,
如晶界、孪晶界、畴界等。
异相界面:不同化学成分和晶体结构的区域间界面,
如同质异构体界面、异质异构体界面。
概述
●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。
●表面与界面可近似看作是材料中的二维缺陷。
●引起熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、吸附、润
湿、化学活性、化学反应等方面的变化。
●有关强度、韧性、导热、导电、介电、传感、
腐蚀、氧化、催化、能量交换、摩擦磨损、光的吸
收与反射等都与表面与界面特性密切相关。
第一节固体的表面
一、固体表面的特征
• 1、固体表面的特点
–表面结构缺陷引起表面性质变化。
–实际固体表面常被外来物污染而影响表面性
质。
–在原子尺度上,实际固体表面是凹凸不平的。
–晶体的各向异性在表面上也体现。
●固体表面与液体相似处是表面受力不对称;不同处是
固体表面原子(离子)不能自由流动,使定量描述更困
难。
2、固体表面力场
●晶体中质点的受力场可认为是有心对称的。
●固体表面质点力场对称性被破坏,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),该力称为固体表面
力。
●固体表面力分为化学力和范德瓦尔斯力(分子
力)
(1)化学力:本质是静电力。当固体表面质点通过不饱和键与被吸附物
间发生电子转移时,产生化学力。
对于离子晶体,晶体表面化学力主要取决于晶格能和极化作用。
(2)范德瓦尔斯力(分子引力),是固体表面产生物理吸附和气体凝聚
的原因。
●定向作用力(静电力):发生在极性物质之间。相邻两个极化电矩相互
作用的力。
●诱导作用力:发生在极性与非极性物质之间。指在极性物质作用
下,非极性物质被极化诱导出暂态的极化电矩,随后与极性物质产生定
向作用。
●分散作用力(色散力):发生在非极性物质之间。非极性物质瞬间电
子分布并非严格对称,呈现瞬间的极化电矩,产生瞬间极化电矩间相互
作用。
在固体表面上,化学力和范德华力可以同时存在,但两者在表面力中所
占比重,将随具体情况而定。
二、固体的表面结构
•固体表面结构可以从微观质点排列状态
(原子尺寸范围)和表面几何状态(一般
显微结构)两方面来描述。
•固体表面质点在表面力作用下使表面层处
于较高的能量状态。
为降低表面能:
•液体表面趋向形成球状
•固体表面质点极化、变形、重排产生晶格畸变
•清洁表面-表面原子排列的变化
•实际表面-表面层结构特征及表面平整度
离子晶体表面双电层
•表面负离子的外侧受力不饱和,其电子云受内部
的正离子的影响而变形。
•在离子晶体表面上,作用力较大、极化率小的正
离子处于稳定的晶格位置。
•为降低表面能,各离子周围的互作用将尽量趋于
对称,因而M+离子在周围质点作用下向晶体内靠
拢,而易极化的X-离子受诱导极化偶极子的排斥
而被推向外侧形成表面双电层。
•下图示出AX型离子晶体的极化与重排。
图(A)理想表面;
图(B)X-离子受M+ 离子的作用诱导出偶极子;
图(C)产生表面弛豫、离子重排。
离子晶体双电层的产生使表面层键性改变。即共价键性增强,固体表
面被一层负离子所屏蔽而导致组成非化学计量。
离子晶体表面的电子云变形和离子重排
NaCl晶体(100)面表面双电层