第5章 固体表面与界面(1)-固体的表面及其结构

中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构第五章固体的表面与界面固体表面分类1111）表面：固体与真空之间交界面。2222）界面：相邻两结晶空间之间交界面（晶界）。3333）相界面：相邻相之间交界面，有三类：固－固相界面（SSSS／SSSS）；固－气相界面（SSSS／VVVV）；固－液相界面（SSSS／LLLL）。本章主要从物理化学的角度介绍固体表面结构、性质及界面行为。中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构5.15.15.15.1固体的表面及其结构5.25.25.25.2界面行为5.35.35.35.3粘土－水系统中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构5.15.15.15.1固体的表面及其结构5.1.15.1.15.1.15.1.1固体的表面5.1.25.1.25.1.25.1.2固体的表面结构中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构5.1.15.1.15.1.15.1.1固体的表面1.1.1.1.理想表面2.2.2.2.清洁表面（1111）台阶表面（2222）弛豫表面（3333）重构表面3.3.3.3.吸附表面4.4.4.4.固体表面能和表面张力5.5.5.5.表面偏析6.6.6.6.表面力场中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构1111....理想表面指理论上结构完整的二维点阵平面理论上结构完整的二维点阵平面，忽略：�晶体内部周期性势场在晶体表面中断；�表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等；�外界对表面的物理化学作用；这种理想表面作为半无限的晶体，体内原子位置及其体内原子位置及其结构的周期性与原来无限的晶体完全一样结构的周期性与原来无限的晶体完全一样。无杂质单晶，作为零级近似可将清洁表面理想为一个理想表面。中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构理想表面结构示意图dddd中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构2222....清洁表面指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面物理化学效应的表面，其化学组成与体内相同化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内周期结构可以不同于体内。分为：台阶表面、弛豫表面、重构表面等。中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构PtPtPtPt（557557557557）有序原子台阶表面示意图（1111）台阶表面由有规则的或不规则的台阶的表面所组成由有规则的或不规则的台阶的表面所组成，因而不是一个平面。[112][112][112][112][111][111][111][111][110][110][110][110](001)(001)(001)(001)周期中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构弛豫表面示意图（2222）弛豫表面由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面原子表面原子产生相对于正常位置的上下位移产生相对于正常位置的上下位移。LiF(001)LiF(001)LiF(001)LiF(001)弛豫表面示意图，····LiLiLiLi〇FFFFdddd0000dddd0.1A0.1A0.1A0.1A0.35A0.35A0.35A0.35A中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构重构表面示意图（3333）重构表面指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内内，但垂直方向的层间距则与体内相同。dddd0000dddd0000aaaassssaaaa中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构3333....吸附表面有时也称界面界面，是在清洁表面上有来自体内扩来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面的质点所构成的表面。根据原子吸附位置，可分为：顶吸附、桥吸附、填充吸附、中心吸附四种吸附情况。中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构4444....固体表面能和表面张力�表面能：增加表面单位面积体系自由能的增量（J/mJ/mJ/mJ/m2222）�表面张力：扩张表面单位长度所需要的力（N/mN/mN/mN/m）�表面能与表面张力的单位为等因次。（J/mJ/mJ/mJ/m2222＝NNNN····m/mm/mm/mm/m2222＝N/mN/mN/mN/m）中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构固体的表面能和表面张力的特点与液体相比：（1111）固体表面能中包含了弹性能，表面张力在数值上不等于表面能；（2222）固体表面张力为各向异性；（3333）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史；（4444）固体表面能和表面张力的测定非常困难。中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学中南大学资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院资源加工与生物工程学院宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚宋晓岚第第55555555章章固体表面与界面固体表面与界面————————————————5.15.15.15.15.15.15.15.1固体的表面及其结构固体的表面及其结构4444....固体界面能和界面张力�界面能：增加界面单位面积体系自由能的增量（J/mJ/mJ/mJ/m2222）�界面张力：扩张界面单位长度所需要的力（N/mN/mN/mN/m）�界面能与界面张力的单位为等因次。（J/mJ/mJ/mJ/m2222＝NNNN····m/m