51固体的表面及其结构解析.pptx

第五章 固体的表面与界面 生活中的表面现象表面现象产生的原因固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面：1）表面:表面是指固体与真空的界面。2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。3）相界面:相邻相之间的交界面称为交界面。 相界面有三类: 固相与固相的相界面（S／S）； 固相与气相之间的相界面（S／V）； 固相与液相之间的相界面（S／L）。 2007年度诺贝尔化学奖获得者德国科学家格哈德?埃特尔，以表彰他在“固体表面化学过程”研究中作出的贡献。进行了表面化学的开创性研究，建立了表面化学的研究方法。通过表面化学过程的研究，向人们展示不同实验过程产生表面反应的全貌，如铁为什么生锈、燃料电池如何工作、汽车内催化剂如何工作等。 表面化学反应对于许多工业生产起着重要作用，例如人工肥料的生产。表面化学甚至能解释臭气层破坏，半导体工业也是与表面化学相关联的领域。格哈德?埃特尔的工作：氢在金属表面的吸附作用、氨合成的分子机理和固体表面的催化过程等 5.1固体的表面及其结构5.2润湿与粘附5.1 固体的表面及其结构5.1.1 固体的表面5.1.2 固体的表面结构5.1.1固体的表面1.理想表面2.清洁表面（1）台阶表面（2）弛豫表面（3）重构表面3.吸附表面4. 固体的表面自由能和表面张力5. 表面偏析6. 表面力场 1、理想表面 没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面理想化作为一个理想表面。这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。 忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等。 这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。 (图5.1.1 理想表面结构示意图 )d图5.1.1理想表面结构示意图 2、清洁表面 清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。 [110][111][112](001)周期（1）台阶表面 (图5.1.2 ) 台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成。图5.1.2 Pt有序原子台阶表面示意图d0（2） 弛豫表面 (图5.1.3，图5.1.4 ) 由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。d图5.1.3弛豫表面示意图 图5.1.4 LiF(001)弛豫表面示意图， · Li 〇 F 弛豫表面的原因 ???表面上原子的配位情况发生变化表面上原子附近的电荷分布有所改变表面原子所处的力场与体内原子也不同。 为降低体系能量，就会产生弛豫表面，即表面原子层的间距偏离体内原子间的间距，产生压缩或膨胀（称为表面弛豫）。asad0d0（3）重构表面(图5.1.5 ) 重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内相同。图5.1.5 重构表面示意图 3、吸附表面 吸附表面有时也称界面。它是在清洁表面上有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的质点所构成的表面。 根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为四种吸附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附等。 4、固体的表面自由能和表面张力 两者的区别：1）表面自由能：每增加单位表面积时，体系自由能的增量。单位：J/m2=N.m/m2=N/m2）表面张力是扩张表面单位长度所需要的力。单位：N/m与液体相比：固体表面能和表面张力的特点1）固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数值上不等于表面自由能；2）固体的表面张力是各向异性的。3）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。4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。 为什么固体的表面张力在数值上不等于表面自由能？ 固体中质点间相互作用力相对液体来说要强很多，那么彼此间的相对运动要困难得多，在保持固体表面原子总数不变的条件下，通过弹性形变可使表面积增加，即固体的表面自由能中包含了弹性能，因此，表面张力在数值上已不在等于表面自由能。 5、表面偏析 不论表面进行多么严格的清洁处理，总有一些杂质由体内偏析到表面上来，从而使固体表面组成与体内不同，称为表面偏析。6、表面力场 固体表面上的吸引作用，是固体的表面力场和被吸引质点的力场相互作用所产生的，这种相互作用力称为固体表面力。剩余键力 （固体表面力场是导致固体表面吸引气体分子、液体分子（如润湿或从溶液中吸附）或固体质点（如粘附）的原因） 依性质不同，表面力可分为： 1）化学力 2）分子引力 （1）化学力：本质上是