材料表面与界面基础

1《材料表面与界面》SurfaceandInterfaceofMaterials2011年2月Keywords:Surface;InterfaceInterphaseInterlayer2材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革命中的三大前沿科学，材料的表界面在材料科学中有重要的地位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。31)1875～1878Gibbs定律描述固-气和固-液界面吸附关系；2)1913～1942Langmuir的贡献(吸附)；3)20世纪40年代前表面化学成果大量应用生产(多相催化剂）；4)50年代，微型化、IT发展促进表面化学发展；5)60年代～，表面现象向微观领域发展。表界面科学发展史4表面与界面的研究对象是不均匀的体系,通常把从一个相（固相、液体）过渡到另一相的区域。具有多相性，表面与界面的定义在物理学中是以几何学的观点给出的.研究对象及其应用界面表面多相材料的表界面示意图5a.航空和航天器件b.民用各种涂料；显示屏的发光材料；液晶显示屏许多传感器：湿度，各种气体传感器（sensor）c.特种表面与界面功能材料：生物表界面具有特殊功能和特殊微结构；超疏水，超亲水，超双亲材料，超双疏水材料d.界面是复合材料的重要特征应用领域：6F22、F117隐形飞机（复合材料-取代金属材料+吸波涂层)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。铁氧体隐形涂料的缺点也是比较明显的：吸波频带较窄，单一涂料只对特定频段的雷达波起作用；对环境要求高，需要为隐形飞机配备昂贵的空调机库，加重了后勤负担；重量大，会对飞机的机动性能产生影响。因此，很多国家都把目光瞄准了新一代的隐形涂料。7水泥基表面的树脂涂层8彩色钢板涂层示意图9柱塞、阀座用耐磨陶瓷涂层10LED发光图（左）以及用它制备的城市装饰图案（右）11H2剩余H2O2H2O阳极阴极质子膜燃料电池产生电力的原理12《哈利·波特》中隐身术、再生术等魔法在现实世界中也可以实现13ScientistsattheUniversityofCalifornia,Berkeley,haveforthefirsttimeengineered3-Dmaterialsthatcanreversethenaturaldirectionofvisibleandnear-infraredlight,adevelopmentthatcouldhelpformthebasisforhigherresolutionopticalimaging,nanocircuitsforhigh-poweredcomputers,and,tothedelightofscience-fictionandfantasybuffs,cloakingdevicesthatcouldrenderobjectsinvisibletothehumaneye.1415图7荷叶的表面结构：由微米级的乳突组成，乳突结构又由纳米级的精细结构构成（见右图）该表面为超疏水特性16SurfacestructureofSharkFig.Simulatedshark’ssurfacewasappliedonairplane.参见《微/纳米生物磨察学》李健等译。17甲虫的外观金龟子及其表面微结构18C对光的调控19图2科学家发现蝴蝶翅膀是天然发光二极管图3非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物的光学显微图象20第一章表面与界面基础知识第二章固体材料表界面电子过程第三章微纳米材料的表面与界面第四章聚合物表界面第五章复合材料界面第六章塑脂基复合材料的界面第七章金属基复合材料界面第八章陶瓷基复合材料界面第九章生物及生物材料表界面主要内容：※21参考书（1）《固体材料界面研究的物理基础》闻立时等编著科学出版社，1991年5月（2）《材料表面与界面》李恒德等主编，清华大学出版社，1990年6月（3）《表面与界面》崔国文等编，清华大学出版社，1990年11月（4）《表面物理化学》科学出版社，程传煊主编，1995年5月(5)《复合材料大全》化工出版社，沃丁柱主编，1998年（6）《材料表面与界面》华东理工大学出版社，2008（7）材料表面科学，曹立礼，清华大学出版社，2010221)《美国化学文摘》CA;中国期刊网;国家图书馆;中国科学院科技文献情报中心，国家科技文献检索中心科技文献网上收集方法：2)著名数据库：ACS;Elesvier;kluer;Willey-VCH23第一章表面与界面基础知识1.1表面与界面概念1表面与界面概念（Conception）（掌握）通常把从凝聚相（固相、液体）过渡到真空的区域称为表面（surface）;从一个相到另一个相之间的区域称为界面(interface).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。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。2.物质的分类从形态上：固体，液体，气体，胶体，等离子体(人们过去已知的物质五种形态分别是气态、固态、液态、等离子态和玻色－爱因斯坦凝聚态;玻色－爱因斯坦凝聚态物质由成千上万个具有单一量子态的超冷粒子的集合，其行为像一个大超级原子。玻色－爱因斯坦凝聚态物质由玻色子构成从结构上：晶体，无定形24固体表面的分类依据不同，则分类不同，根据物理表面特性可以分为理想表面(idealsurface)；3.固体表面的分类吸附表面(adsorptivesurface)清洁表面(cleansurface)；具体获得清洁表面的方法：a高温热处理，b离子轰击加退火，c真空解理d真空沉积e场致蒸发等必须保持在10–10Pa超高真空以下清洁表面原子排列中断，表面原子受到力变化；表面能变化25(a)表面弛豫(relaxation)；（b）重构(rebuilding)(c)偏析又称偏聚或分凝(segregation)(d)台阶化(steps)(e)形成化合物(f)吸附(adsorption)4清洁表面发生的常见重要物理化学现象：26表面附近的点阵常数发生明显的变化。NaCl晶体的表面弛豫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。27（b）重构(rebuilding)：表面原子重新排列，形成不同于体相内部的晶面28c)偏析又称偏聚或分凝(segregation)指化学组成在表面区域的变化但结构不变。29d)台阶化(steps)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。30(f)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e)吸附(adsorption)指表面存在周围环境中的物种。分类：物理吸附和化学吸附31(a)物理吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层，由范德华力(VanderWaals)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。其本质为静电相互作用力.吸附热约为：4.2KJ/mol，一般在较低的温度下才能发生，无激活能，无选择。物理吸附的作用力是范德华力和氢键，包括：定向力/偶极力、诱导力、色散力；作用力。吸附分类：物理吸附和化学吸附32(b)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(order)也可以是无序(disorder)吸附在表面，也可以是单层(monolayer)，也可以是多层(multiplayer)吸附。因表面的性质和被吸附的物种而定。色散力：两个非极性分子相互接近时，由于电子不断运动电子和原子核间会经常发生瞬间的相对位移，使正负电荷的中心不重合而产生瞬时偶极，在两个瞬时偶极之间产生的引力。两个极性分子接近时，由于固有的偶极同性相斥异性相吸而产生的作用力极性分子与非极性分子接近时，非极性分子受到诱导而极化这中固有的偶极与诱导的偶极产生作用力其本质：静电相互作用力。33表面产生吸附的根本原因：（1）电荷(charge)在凝聚相表面发生迁移(migration)，包括负电荷(negativecharge)的电子迁移和正电荷(positivecharge)的离子迁移。-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+--+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-中性表面34-+--+--+-+-++-++-++-+-+--+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-e负电性表面双电层电子向表面迁移35-+-++--+-+-++-+--++-+-+--+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-正电性表面双电层正电荷向表面迁移36表面产生吸附的根本原因：（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)铂金属簇催化a-酮酸酯的不对称氢化反应物a-酮酸酯在不同大小Pt纳米簇上示意图.C灰色,O红色,H白色,N黄色B化学反应成键371.1.2固体的表面特性表面粗糙度测定方法简介:轮廓算数平均偏差(Ra)--arithmeticalmeandeviationoftheprofile；微观不平度十点高度(Rz)--thepointheightofirregularities；轮廓最大高度(Ry)--maximumheightoftheprofile。表面粗糙度r:实际表面积与光滑表面积之比值固体表面的不均一性38Ra--在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值，又称：平均粗糙度。近似值：1.11.239Rz-在取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。微观不平度十点高度(Rz)1.340Ry--在取样长度L内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。如果图面没标注粗糙度选用Ra/Rz/Ry的情况下应选用Ra。轮廓最大高度(Ry)41平均高度hav：固体表面粗糙度的定量其它方法均方根平均高度hrms：lxxdxxhhavl02)]([1平均方根粗糙度：RMS＝1.41.51.642粗糙表面的类型43甲虫的外观金龟子及其表面微结构OrderedSurfaceStructures44OrderedSurfaceStructuresScanningelectronmicrographofthespecialzoneoftheTiO2porousfilmsonITOglass.451)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）感触法表面粗糙度测定方法:46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:h=N(/2),N是干涉条纹弯曲度,一般为几个或零点几个干涉条纹的宽度;:激光波长干涉法473D非接触表面轮廓仪ZygoMaxim3D5700表面轮廓仪实际采用的是干涉显微镜技术由高度值h可计算出rms,公式为式中N为取样点数;hi为高度值最后,由下式可计算出超光滑光学表面高度值4849未排除系统误差的被测硅片表面三维轮廓排除系统误差的被测硅片表面真实三维轮廓50探头和被测工件表面稳定接触。内置电池驱动探头工件表面上移动.51SPM扫描探针显微镜52SEM53AFM线性剖面图AFM立体显示图Averagero