材料表面与界面 整理版

材料表面与界面1、材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、化学反应、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。2、应用领域：a.航空和航天器件；b.民用;c.特种表面与界面功能材料；d.界面是复合材料的重要特征。3、隐形涂料：这种涂料含有大量的铁氧体粉末材料，依靠其自身自由电子的重排来消耗雷达波的能量。4、表面与界面概念：常把从凝聚相（固相、液体）过渡到真空的区域称为表面;从一个相到另一个相之间的区域称为界面.5、表界面尺寸：可以是一个原子层或多个原子层，其厚度随材料的种类不同而不同。6、在物质的气、液、固三态中，除了两种气体混合能完全分散均匀而不能形成界面外，三种相态的组合可构成五种界面：液－气，液－液，固－气，固－液，固－固。7、物质的分类。从形态上：固体，液体，气体，胶体，等离子体。从结构上：晶体，无定形。8、固体表面的分类：理想表面；清洁表面（高温热处理，离子轰击加退火，真空解理。真空沉积。场致蒸发等）。吸附表面。9、清洁表面发生的常见重要物理化学现象：(a)表面弛豫；（b）重构；(c)偏析又称偏聚或分凝；(d)台阶化；(e)形成化合物；(f)吸附10、表面处离子排列发生中断，体积大的负离子间的排斥作用，使C1-向外移动，体积小的Na+则被拉向内部，同时负离子易被极化，屏蔽正离子电场外露外移，结果原处于同一层的Na+和C1-分成相距为0.020nm的两个亚层，但晶胞结构基本没有变化，形成了弛豫。11、重构：表面原子重新排列，形成不同于体相内部的晶面。12、偏析又称偏聚或分凝指化学组成在表面区域的变化但结构不变。13、台阶化表面附近的点阵常数不变，晶体结构也不变，而形成相梯度表面。14、形成化合物：指表面化学组成和结构都发生改变，在表面有新相生成。15、吸附指表面存在周围环境中的物种。分类：物理吸，附和化学吸附。16、物理吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层，由范德华力作用力引起，则此吸附称为物理吸附。特点：物理吸附过程中没有没有电子转移、没有化学键的生成和破坏，没有原子重排等等，产生吸附的只是范德华力。物理吸附的作用力是范德华力，包括：定向力/偶极力、诱导力、色散力；作用力。17、化学吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层由化学键作用力引起，则此吸附称为化学吸附。特点：表面形成化学键；有选择性；需要激活能；吸附热高（21-42KJ/mol）。吸附的物种可以是有序=也可以是无序=吸附在表面，也可以是单层=，也可以是多层=吸附。因表面的性质和被吸附的物种而定。18、表面产生吸附的根本原因：（1）电荷在凝聚相表面发生迁移，包括负电荷的电子迁移和正电荷的离子迁移。（2）表面存在可以构成共价键的基团：A、过渡金属原子空的d轨道如Pt(5d96s1)；B、化学反应成键。19、固体的表面特性：①表面粗糙度r:实际表面积与光滑表面积之比值。表面粗糙度测定方法:1)干涉法：适合测量精密表面；2)光学轮廓法；3)探针法；4）比较法；5）感触法。20、干涉法：空间的多束光传播时,在它们的重叠区域会发生干涉,两束光迭加后其光强的分布并非均匀,光强随光程差D的变化按余弦规律变化,从一个亮条纹到另一个亮条纹,具有相同光程差的点必然分布在同一条纹上.因此，只要知道光波的波长就可以测得表面微观不平度。21、在研究多孔固体物理吸附时，常常出现逐渐增加气体压力时得到的等温线与吸附后逐渐降低压力时得到的脱附等温线不相重合，这就是所谓的滞后现象。滞后圈存许多不同的形状，分别对应于不同的孔结构。22、Θ=（bp）/(1+bp)=V/Vm；此式称为Langmiur吸附等温式，b称为吸附系数。以p/V~p作图，可得一直线，从直线的斜率和截距可以求出Vm和b。1、扩散是材料中存在有浓度梯度时产生的原子定向运动。2、扩散机理：在固体中原子扩散,主要通过原子利用缺陷位置进行运动。如填隙原子、空位和原子团互换位置。3、表面扩散分类：(a)原子浓度梯度引起的表面扩散；(b)毛细管作用力引起的表面扩散。4、表面张力也可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功，也可以理解为表面能。5、把两本体相的界面，从其平衡位置可逆地分离到无限远时则需做一份外功，称之为粘附功。6、拉普拉斯方程：rp/2。表面弯曲的液体在表面张力作用下受到一定的附加压力，附加压力的大小总是指向曲率中心。7、液体的表面和界面张力的测定方法，有液滴法、悬滴法、毛细管上升法、气泡最大压力法、滴重法、吊片法和环吊法等等，原则上也适应于测定熔融和液态高聚物的表面张力。8、影响界面张力的因数：①温度增高，表面张力下降。②两相极性相同时，表面张力越小；③分子量9、固体表面张力的测定方法：1）Zisman法；2）熔体表面张力外推至室温方法。1、润湿作用是一种流体置换表面上另一种流体的过程。润湿作用主要是指液体取代固体表面上的空气。2、固体表面三种润湿过程：（a）粘附润湿(b)铺展润湿(c)浸渍润湿。3、沾湿过程：失去一个“液-气”界面和一个“固-气”界面，形成一个“固-液”界面。4、浸湿过程：将固体浸入到液体中谓之浸湿。“气-固”界面为“液-固”界面所取代。5、铺展润湿：将一滴液体置于固体表面上，在恒温恒压条件下，液滴在固体表面上自动展开形成液膜的过程谓之铺张润湿。固气界面消失而形成了“固-液”界面和“液-气”界面。6、杨氏方程和接触角：lg/)(cosslsg。粘湿：180°，Wa0。浸湿：90°，Wi0。铺展：θ=0或不存在，S≥0。θ90°为不润湿；θ90°为润湿，且θ愈小润湿就愈好，θ＝0时为完全润湿。7、影响固体表面润湿行为的主要因素：①与构成表面材料本身的物理化学特性有关；②与构成表面形貌和结构密切相关；③与外部条件有关如温度等。8、θ＜90°时，θ'＜θ，即在润湿的前提下，表面粗糙化后θ'变小，更易为液体所润湿。θ＞90°时，θ'＞θ，即在不润湿的前提下，表面粗糙化后θ'变大，更不易为液体所润湿。9、在固-液界面扩展过程中存在一个前进角，以θa表示，和收缩后的接触角称为后退角，以θr表示．一般，前进角往往大于后退角，两者之差值(θa-θr)称为接触角滞后现象。10、引起接触角滞现象的原因：固体的表面粗糙不平、不均匀、表面受污染等。11、高能表面材料的表面张力远远大于一般液体的表面张力．因此，一般液体均能在高能表面上自动铺展润湿。12、低能表面的润湿规律：只有表面张力等于或小于固体的c值的液体才可能在该固体表面铺展润湿。13、接触角的测定方法：①躺滴法/投影-切线法；②吊板法；③Bartell静态法，称：位移压力法；④Washburn动态法。1、材料结构和性能的表征：材料的形貌、化学组成、相组成、晶体结构、缺陷等。2、表征材料形貌的仪器：光学显微镜；扫描电子显微镜；原子力显微镜；扫描隧道显微镜；透射电子显微镜；高分辨率透射电子显微镜。3、检测化学组成的仪器：X-Ray光电子能谱,测组成和价态；红外光谱；核磁共振谱。4、检测相组成、晶体结构:X-ray衍射；拉曼光谱；精细X-ray衍射谱。5、表面、界面、薄墨中的偏析、吸附扩散、粘附等特性用俄歇电子谱;二次离子质谱;离子散射谱检测。6、扫描电子显微镜（SEM）主要特点：①电磁物镜的特点；②高真空下观察样品形貌；③样品分辨率高；④样品需要导电，对于不导电的样品需要先溅射上一层金或者铂金；⑤环境扫描电镜。7、TEM特点：①电子透过样品有散射和衍射等现象；②电磁物镜的特点；③高真空下观察样品形貌,对于不同材料在同一聚集体中显出不同的衬度，是研究符合材料非常有效的手段；④样品分辨率高；⑤样品不需要导电。8、扫描隧道显微镜（STM）特点：①只能得到表面的微结构,不能得到成分；②分辨率可达：0.1～0.01nm；③可以在真空、大气、溶液条件下进行表面分析，图象的质量与针尖非常密切相关；④样品要有一定的导电性。布拉格方程：ndhklsin2。9、Raman（拉曼）效应产生于入射光的电场与介质表面上振动的感生偶极子的相互作用，导致分子的旋转或振动模式的跃迁变化。特点：①Raman光谱研究分子结构时与红外光谱互补；②Raman光谱研究的结构必需要有结构在转动或者振动过程中的极化率变化（红外光谱研究的结构必需要有有结构在转动或者振动过程中偶极矩差异）；③可以测定物质的晶体结构和晶相判断，但只能是研究光能到达的表面区域；④样品可以是固态、液体或者气体。10、光电发射定律：当能量为hv的光激发原子或者分子时，光子的能量被吸收，轨道上的电子被激发，使其脱离原子，即产生一个离子。1、电子的特点：高速；概论出现（电子云）；能量不连续（能级）；薛定谔方程。2、本征半导体：纯净的、不含杂质的半导体。杂质半导体：N型半导体和P型半导体两类。3、N型半导体（施主）中的多数载流子(多子）为电子。空穴为少数载流子（少子）。4、P型半导体（受主）中的多数载流子(多子）为空穴。电子为少数载流子（少子）。5、扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。浓度差→扩散运动→扩散电流；扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比。6、漂移运动：载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。电位差→漂移运动→漂移电流；漂移电流大小与电场强度成正比。7、pn结定义：把一块p型半导体和一块n型半导体结合在一起，由于P、N区载流子浓度不等，N区电子浓度向P区扩散，P区空穴向N区扩散，结果在交界面处积累电荷形成电偶极层，将该结构称为p-n结。8、PN结基本特性：在内建电场作用下，电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡，电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反而互相抵消。9、单向导电性（整流）：PN结加正向电压：流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称为PN结正向导通状态。PN结加反向电压：流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。该状态称为PN结反向截止状态。10、p-n结电容特性：一个p-n结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电压频率增高时，其整流特性变坏。p-n结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这种p-n结的电容效应称为势垒电容。由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为p-n结的扩散电容。11、平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差，称为p-n结的接触电势差或内建电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量称为p-n结的势垒高度。12、表面势：在空间电荷区内便存在一定的电场，造成能带弯曲，使半导体表面和内部之间存在电势差，即表面势。13、表面态：在表面与界面处，晶体的周期性势场突然发生中断或明显的畸变，这种明显区别于体内的特殊势场，经薛定谔方程会形成或产生，了一些电子的附加状态，称为表面态或界面态。（本征表面态和非本征表面态）14、表面电导：平行于表面的某一方向加上一外电场，表面区域存在着载流子将作定向运动，从而对电导作出贡献，这就是表面电导。15、MIS(指金属—绝缘层—半导体)结构满足以下条件：①金属与半导体间功函数差为零；②在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电；③绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。16、光电功能器件：LED（发光二极管）；太阳能电池；气体传感器。17、晶界势垒：晶界处集聚有杂质、缺陷和偏析相。离子（陶瓷）在晶界上的凝集，则会引起晶界带电。晶界带电和空间电荷层的形成，引起晶界附近能带弯曲。18、半导体的功函数：在绝对零度时，一个起始能量等于费米能级的电子，由半导体内部逸出到真空中所需要的最小能量。19、表面势垒：半导体表面形成一个正的空间电荷区，电场体内指向表面；半导体表面电子的能量高于体内，能带向上弯曲，形成表面势垒。势垒空间中空间电荷由