材料的表面与界面 Surfaces and Interfaces in Materials,第2章 材料表面与界面的基础知识,第2章 材料表面与界面的基础知识,2.2 固体的表面,2.2.2 固体不同晶面的表面能,,,,,采用“近邻断键模型”（Nearest-neighbor broken-bond model）来计算固体晶体的表面能两点假设：第一，每个原子只与其最近邻的原子成键（最近邻原子数即为该晶体结构的配位数），并且只考虑最近邻原子间的结合能；第二，原子间的结合能（-Ua）不随温度变化1）固体表面能的计算,对于具有任意晶体结构的固态晶体，某一晶面{hkl}的表面能（γS{hkl}）可以用下式计算：γS{hkl} = N{hkl}Z(Ua /2) 式中，N{hkl}为{hkl}晶面单位面积的原子数，Z为晶体沿{hkl}晶面断开形成新表面时{hkl}晶面上每个原子需要断裂的键数第2章 材料表面与界面的基础知识,2.2 固体的表面,2.2.2 固体不同晶面的表面能,,,,,简单立方晶体的单胞结构和其中的{001}，{011}和{111}晶面原子排列示意图,（2）简单立方晶体固体表面能的计算,简单立方晶体{001}，{011}和{111}晶面的表面能计算结果,,,,,,,,第2章 材料表面与界面的基础知识,2.2 固体的表面,2.2.2 固体不同晶面的表面能,,,,,面心立方晶体的单胞结构和其中的{001}，{011}和{111}晶面原子排列示意图,（3）面心立方晶体固体表面能的计算,面心立方晶体{001}，{011}和{111}晶面的表面能计算结果,,,,,,,,,,,,,,第2章 材料表面与界面的基础知识,2.2 固体的表面,2.2.2 固体不同晶面的表面能,,,,,（4）体心立方晶体固体表面能的计算,体心立方晶体{001}，{011}和{111}晶面的表面能计算结果,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第2章 材料表面与界面的基础知识,2.2 固体的表面,2.2.2 固体不同晶面的表面能,,,,,在用以上方法计算固体晶体表面能时，忽略了固体断开后，形成新表面原子的松弛能。
表面原子松弛将导致表面能降低，但由于一般表面原子的松弛能要远远小于表面能，所以在计算时，往往可以忽略表面原子松弛对表面能产生的影响第2章 材料表面与界面的基础知识,2.2 固体的表面,2.2.3 固体晶体的平衡形状,,,,,固体晶体的表面平衡形状一方面取决于所形成的总表面积大小，但更重要的是决定于构成表面的晶面表面能大小一般情况下，固体晶体的表面由那些表面能较低的低指数晶面组成，从而形成多面体形状1）固体晶体表面平衡形状及其形成原则,固体晶体平衡形状（多面体）形成的原则是固体总表面自由能最低当固态球状晶体加热后，固体晶体会变为多面体，其原因就是这样的多面体的总表面自由能最低因此，固体表面的平衡形状为多面体第2章 材料表面与界面的基础知识,2.2 固体的表面,2.2.3 固体晶体的平衡形状,,,,,（2）固体晶体表面平衡形状的确定方法,二维晶体的三种表面状态示意图,,二维晶体平衡形状确定示意图(a)和确定结果(b),第2章 材料表面与界面的基础知识,2.2 固体的表面,2.2.3 固体晶体的平衡形状,,,,,（3）固体晶体表面的小面化,,固体晶体断裂面是晶体的密排面时，表面能最低如果固体晶体受外力作用所形成的宏观断裂面不与晶体的密排面平行时，断裂表面的晶面组成可以由小面化理论给与说明。
断裂的宏观表面可以被分解为平行于晶体密排面的若干个小平面与连接这些小平面的连接面组成，使形成的总表面自由能最低这就是固体晶体的小面化第2章 材料表面与界面的基础知识,2.2 固体的表面,2.2.4 固体表面的TLK模型,,,,,（3）固体晶体表面的小面化,,当固体晶体的宏观表面与晶体的密排面之间的夹角不大时，固体晶体表面将形成如图所示的“TLK”表面结构模型从图中可以看出，由于固体表面存在不同的平台（Terrace）、台阶（Ledge）、曲折（Kink）、空穴和吸附原子等缺陷，使固体晶体表面的不同部位能量不均匀，这将导致固体的表面吸附与表面化学反应等过程的不均匀性,固体晶体表面的“TLK”结构模型,第2章 材料表面与界面的基础知识,2.2 固体的表面,2.2.5 固体表面的缺陷,,,,,,理想表面：清洁的单晶平面一般表面：表面氧化，表面成分偏聚机械加工过的表面：表面粗糙度，表面应力，表面缺陷，表面非晶,固体晶体表面的“TLK”结构模型,2.2.6 金属表面的特点,位错露头：螺位错形成表面台阶刃位错形成表面空隙,。