表面改性技术教师：强颖怀学院：材料学院材料科学与工程学院表面改性技术第二章 表面基础理论表面晶体学2.1
金属表面现象2.2
表面缺陷与表面扩散2.3
材料科学与工程学院表面改性技术2.1 表面晶体学
1.固体表面
界面 一般指两相交界处，严格来讲固固、液液、固液、
气液、固液交界处皆为界面。
固体表面 通常指固 -气界面或固 -液界面，一般由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层组成。
表面原子排列与内部不同 表面组成与内部材料科学与工程学院表面改性技术
2.理想表面
理想表面 是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
忽略周期性势场的中断忽略缺陷、扩散、热运动忽略外界环境影响材料科学与工程学院表面改性技术
fcc structure
材料科学与工程学院表面改性技术
bcc structure
材料科学与工程学院表面改性技术
hcp structure
材料科学与工程学院表面改性技术
无缺陷的晶体被分成两个半无限大的晶体，分割前后的原子排列、电子密度不变；表面原子能量大于内部，
既为表面能。
材料科学与工程学院表面改性技术自行调整,结构改变，原子排列和内部不同 ！
成分调整,表面成分偏析、对外来原子的吸附！
清洁表面成分和结构与内部不同，要 4-6个原子过渡！
材料科学与工程学院表面改性技术
3.清洁表面
清洁表面指 没有被其它任何物质污染，也没有吸附任何不是表面组分的其它原子或分子的表面，是我们在预处理后中想要得到的表面。
晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子键合，形成了附加的 表面能 。从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态。
材料科学与工程学院表面改性技术
表面驰豫,表面的原子周期性突然破坏,表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下位移以降低体系能量，
表面上原子的这种位移称为表面驰豫 。
材料科学与工程学院表面改性技术第一章 概论
Unrelaxed
Surface
材料科学与工程学院表面改性技术第一章 概论
Relaxed Surface
(d1-2 < dbulk )
材料科学与工程学院表面改性技术
表面重构,平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。
对称也改变材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术
表面偏析,表面原子从内部分凝出来。
化学吸附,外来原子吸附于表面并形成化学键。
材料科学与工程学院表面改性技术
台阶,表面原子形成台阶结构。
材料科学与工程学院表面改性技术
化合物,外来原子进入表面，并与表面原子形成化合物。
材料科学与工程学院表面改性技术
4.实际表面
理想的表面是不存在的，清洁的表面是难以制备的，实际的表面存在缺陷、杂质等现象 。
表面粗糙度与波度是实际表面的基本特征 。
表面粗糙度 吸附和玷污 机械加工表面材料科学与工程学院表面改性技术
表面粗糙度 是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。
材料科学与工程学院表面改性技术
粗糙表面对表面特性的影响
粗糙表面的原子比正常的原子具有更高的表面能！
粗糙表面影响实际表面的接触面积和接触性质！
实际比表面积大于表观比表面积！
粗糙的表面具有与内部不同的成分和组织！
材料科学与工程学院表面改性技术
机械加工表面
在磨削、研磨、抛光等机械作用下，金属表面能形成特殊结构的表面层。
贝尔比层
塑性变形层材料科学与工程学院表面改性技术
贝尔比层,固体材料经切削加工后，在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，使得在表面约 10nm的深度内，形成晶格畸变薄层。
加工点温度高于表面平均温度，磨后迅速冷却，原子无法回到原来位置；
极为细小的微晶层或非晶态层。
材料科学与工程学院表面改性技术
贝尔比层具有较高的耐磨性和耐腐蚀性，对机械工程来说是好的。
但例如硅集成电路制作时，确是位错、层错的根源。
塑性变形层：深度增加塑性变形量减小,1-10微米。
表面双晶、相变、再结晶。
材料科学与工程学院表面改性技术2.2 金属表面现象
3,金属表面反应
2,润湿及黏着
1,吸附现象材料科学与工程学院表面改性技术
表面吸附 指固体表面吸引气体的一种结合，又有物理吸附和化学吸附。
物理吸附靠范德华力作用，物理吸附对温度比较敏感，
低温下的单层有序结构，吸附分子结构无变化！
化学吸附则形成化学键结合，存在电子转移，结合强度比物理吸附大许多。
材料科学与工程学院表面改性技术
润湿 液体与固体表面接触时的表面现象，可以用液滴在表面上的散开程度表征润湿程度。润湿与不润湿！
接触角材料科学与工程学院表面改性技术
体系自由能降低，缩小界面张力 ！
材料科学与工程学院表面改性技术
黏着 固体与固体接触时的表面现象，产生两个新的表面消耗的能量称为黏附功，表征固体与固体吸引强度！
接触状况：紧密接触润湿性：润湿好，黏着强固溶性：不同金属间的固溶表面活化：提高黏着强度材料科学与工程学院表面改性技术
金属表面反应,
气固反应：沉积、大气腐蚀、渗碳、脱碳！
液固反应：金属的溶解、液体热处理、电化学！
固固反应：石墨与钢的反应！
离子 -固反应：离子氮化、离子注入！
材料科学与工程学院表面改性技术2.3 表面缺陷与扩散
2,表面扩散
1,表面缺陷模型材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术
表面扩散,原子或分子沿表面的二维迁移！
单个原子跳跃几个晶格后越过一个平台！
吸附原子沿边缘的长度方向扩散！
空位被表面原子填充形成扩散！
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金属表面现象2.2
表面缺陷与表面扩散2.3
材料科学与工程学院表面改性技术2.1 表面晶体学
1.固体表面
界面 一般指两相交界处，严格来讲固固、液液、固液、
气液、固液交界处皆为界面。
固体表面 通常指固 -气界面或固 -液界面，一般由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层组成。
表面原子排列与内部不同 表面组成与内部材料科学与工程学院表面改性技术
2.理想表面
理想表面 是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
忽略周期性势场的中断忽略缺陷、扩散、热运动忽略外界环境影响材料科学与工程学院表面改性技术
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无缺陷的晶体被分成两个半无限大的晶体，分割前后的原子排列、电子密度不变；表面原子能量大于内部，
既为表面能。
材料科学与工程学院表面改性技术自行调整,结构改变，原子排列和内部不同 ！
成分调整,表面成分偏析、对外来原子的吸附！
清洁表面成分和结构与内部不同，要 4-6个原子过渡！
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3.清洁表面
清洁表面指 没有被其它任何物质污染，也没有吸附任何不是表面组分的其它原子或分子的表面，是我们在预处理后中想要得到的表面。
晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子键合，形成了附加的 表面能 。从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态。
材料科学与工程学院表面改性技术
表面驰豫,表面的原子周期性突然破坏,表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下位移以降低体系能量，
表面上原子的这种位移称为表面驰豫 。
材料科学与工程学院表面改性技术第一章 概论
Unrelaxed
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(d1-2 < dbulk )
材料科学与工程学院表面改性技术
表面重构,平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。
对称也改变材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术
表面偏析,表面原子从内部分凝出来。
化学吸附,外来原子吸附于表面并形成化学键。
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台阶,表面原子形成台阶结构。
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4.实际表面
理想的表面是不存在的，清洁的表面是难以制备的，实际的表面存在缺陷、杂质等现象 。
表面粗糙度与波度是实际表面的基本特征 。
表面粗糙度 吸附和玷污 机械加工表面材料科学与工程学院表面改性技术
表面粗糙度 是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。
材料科学与工程学院表面改性技术
粗糙表面对表面特性的影响
粗糙表面的原子比正常的原子具有更高的表面能！
粗糙表面影响实际表面的接触面积和接触性质！
实际比表面积大于表观比表面积！
粗糙的表面具有与内部不同的成分和组织！
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机械加工表面
在磨削、研磨、抛光等机械作用下，金属表面能形成特殊结构的表面层。
贝尔比层
塑性变形层材料科学与工程学院表面改性技术
贝尔比层,固体材料经切削加工后，在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，使得在表面约 10nm的深度内，形成晶格畸变薄层。
加工点温度高于表面平均温度，磨后迅速冷却，原子无法回到原来位置；
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材料科学与工程学院表面改性技术
贝尔比层具有较高的耐磨性和耐腐蚀性，对机械工程来说是好的。
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3,金属表面反应
2,润湿及黏着
1,吸附现象材料科学与工程学院表面改性技术
表面吸附 指固体表面吸引气体的一种结合，又有物理吸附和化学吸附。
物理吸附靠范德华力作用，物理吸附对温度比较敏感，
低温下的单层有序结构，吸附分子结构无变化！
化学吸附则形成化学键结合，存在电子转移，结合强度比物理吸附大许多。
材料科学与工程学院表面改性技术
润湿 液体与固体表面接触时的表面现象，可以用液滴在表面上的散开程度表征润湿程度。润湿与不润湿！
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黏着 固体与固体接触时的表面现象，产生两个新的表面消耗的能量称为黏附功，表征固体与固体吸引强度！
接触状况：紧密接触润湿性：润湿好，黏着强固溶性：不同金属间的固溶表面活化：提高黏着强度材料科学与工程学院表面改性技术
金属表面反应,
气固反应：沉积、大气腐蚀、渗碳、脱碳！
液固反应：金属的溶解、液体热处理、电化学！
固固反应：石墨与钢的反应！
离子 -固反应：离子氮化、离子注入！
材料科学与工程学院表面改性技术2.3 表面缺陷与扩散
2,表面扩散
1,表面缺陷模型材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术
表面扩散,原子或分子沿表面的二维迁移！
单个原子跳跃几个晶格后越过一个平台！
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空位被表面原子填充形成扩散！
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