1、材料表面与界面考试资料整理题型一、名词解释（8个，24分）二、简答（8个，48分，有画图题）三、简述（2个，28分）考试范围一、名词解释1.表界面：由一个相过渡到另一相的过渡区域。2.表面：习惯上把固气、液气的过渡区域称为表面。界面：把固液、液液、固固的过渡区域称为界面。物体与物体之间的接触面。界面两种物质（同种或不同种）之间的接触面、连接层和分界层。 3.理想表面：理论上结构完整的二维点阵平面。4.清洁表面：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。（表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）5.驰豫表面：指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间
2、距d0相比有所膨胀和压缩的现象。6.驰豫：表面区原子（或离子）间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞结构基本不变，这种情况称为弛豫。7.重构表面：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。8.台阶表面：表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。9.表面偏析：杂质由体内偏析到表面，使多组分材料体系的表面组成与体内不同。10.吸附表面：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。11.平移界面：在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量。其间的界面称为平移界面。12.反演界面：当晶体结构由中心对称向非中
3、心对称转变时，由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。13.表面能:可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功，单位是J/m2。14.表面张力:是单位长度上的作用力，单位是N/m。15.晶界：同质材料形成的固体/固体界面为晶界。16.相界：异质材料形成的固体/固体界面为相界。二、简答、简述1、表界面通常可以分为哪5类？固气；液气；固液；液液；固固。2、获得理想表面的理论前提？（1）、不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；（2）、不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等；（3）、不考虑外界对表面的物理-化学作用等；（4）、认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位置与
4、结构是半无限的，与体内完全一样。3、怎样获得清洁表面？/获得清洁表面的几种方法？1在获得超高真空的同时获得清洁的表面。2用简单的加热方法去除表面的沾污。 3在化学气氛中加热去除那些通过简单加热不能清除的化学吸附沾污。 4对于较顽固的沾污，可以利用惰性气体离子（如Ar+、Ne+）轰击表面而有效地清除污染。 5对于一些晶体，可以采用沿特定的晶面自然解理而得到清洁表面。 6在适当的基片上通过真空蒸发法获得预想的单晶和多晶薄膜，作为研究对象的清洁表面。 4、什么是吸附表面以及用图文说明吸附表面的四种吸附吸附表面即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
5、据表面的四种吸附位置可以分为顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附四种吸附方式。上为俯视图，下为剖视图，顶吸附桥吸附填充吸附中心吸附5、固体界面类型从晶体学角度，可以分为平移界面、孪晶界面和反演界面；从实用角度可分为气固界面、半导体界面、薄膜界面和超晶格界面。平移界面：在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量。其间的界面称为平移界面。包括堆垛层错、反相畴界和结晶切变面等面缺陷。 A.P.B 平移矢量为点阵矢量，为反相界面；SF平移矢量不等于点阵矢量，为层错。孪晶界面：其隔开的两部分晶体间以特定的取向关系相交接, 从而构成新的附加对称元素，如反映面、旋转轴或对称中心。反演界面：当
6、晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。6、固体表面的基本特性理想的晶体由原胞组成，并具有三维周期性。但实际物质不是无限的，在晶体中原子或分子的周期性排列发生大面积突然终止的地方就出现了界面，如固体液体、固体气体及固体固体的界面，常把固体气体（或真空）、固体液体的界面称为固体的表面。 表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。 7、金属表面（工程表面）实际构成示意图对于给定条件下的表面，其实际组成及各层的厚度与表面制备过程、环境以及材料本身的性质有关。8、
7、表面成分（1）、金属表面成分一般特征：“金属/过渡层/空气”，过渡层中常由氧化物、氮化物、硫化物、尘埃、油脂、吸附气体（氧、氮、二氧化碳和水汽等）所组成，其中以氧化物最为常见；（2）、合金表面成分一般特征：“金属/过渡层/空气”，其过渡层中出现的情况更为复杂。过渡层常见氧化物，但可能出现硫化物和碳化物等。（3）、氧化物表面成分一般特征：空气/非化学计量层/氧化物。非化学计量层形成：表面缺陷形成比较容易，如氧空位。（4）、玻璃表面成分玻璃表面：空气/表面组成/设计组成。表面组成：表面能小的氧化物易在玻璃表面富集，如PbO，B2O3氧化物。9、典型表面结构图变形层又称应变层或加工硬化层，它是材料表
8、面区域的重要组成部分。摩擦过程也会形成变形层。贝氏层是加工过程中表面分子产生溶解和表面产生流动之后淬火硬化而沉积的表层，它属于非晶或微晶结构。表面吸附是实际固体重要的表面现象，它的存在可以显著降低表面的系统能量。10、表面结构的表示方法当晶体解理时，由于各种因素的影响，很难得到完整的平面结构，如果畸形程度小，可以近似地认为是平面。还常常出现一种比较有规律的非完全平面结构，称之为台阶结构。对于平面结构和台阶结构，分别用不同的方法表述。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。（1）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。由于晶体内部缺陷的存在等因
9、素，使晶体内部应力场分布不均匀，加上在解理晶体对外力情况环境的影响，晶体的解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理，而是伴随着相邻的倾斜晶面的开裂，形成层状的解理表面。它们由一些较大的平坦区域和一些高度不同的台阶构成，称为台面台阶拐结（TerraceLedgeKink）结构，简称台阶结构或TLK结构.（2）平坦表面包括弛豫表面和重构表面。平坦表面表述方法，一般采用Wood（1963）方法。这种方法主要是以理想的二维点阵为基，描述发生点阵畸变的清洁表面点阵结构。畸变后的表面通常称为再构表面，再构是由原子的重排和弛豫所致。11、表面原子驰豫表面原子由于在某一方向失去相邻原子，可导致偏离平衡位置的弛豫
10、。弛豫可以发生在表面以下几个原子层的范围内。表面第一层原子的弛豫主要表现为纵向弛豫。一般说来，某一原子在某一方向的弛豫，必然引起其它原子以及邻层原子的弛豫。在很多半导体材料以及金属材料、离子晶体等材料中均可观察到表面原子弛豫的存在。表面原子的弛豫，不仅造成了晶体宏观上的膨胀与压缩，而且导致了表面二维点阵的变化，成为再构表面。原子的弛豫，大致可以分为以下几种类型，即：压缩效应、驰张效应、起伏效应及双电层效应。（1）压缩效应表面原子失去空间方向的相邻原子后，体内原子对表面原子的作用，产生了一个指向体内的合力，导致表面原子向体内的纵向弛豫。（2）弛张效应在少数晶体的某些表面发生原子向体外移动的纵向弛
11、豫，造成了晶体的膨胀。这种情况多由于内层原子对表层原子的外推作用，有时也由于表面的松散结构所致。即表面层内各原子间的距离普遍增大，并且可波及表面内几个原子层，造成晶体总体在某一方向的膨胀。一般的弛张效应多出现在金属晶体及其化合物表面。 （3）起伏效应对于半导体材料如Ge、Si等具有金刚石结构的晶体，可以在（111）表面上观察到，有的原子向体外方向弛豫，有的原子向体内弛豫；而且这两种方向相反的纵向弛豫是有规律地间隔出现的。即有起有伏，称之为起伏效应。（4）双电层效应对于多原子晶体，弛豫情况将更加复杂。在离子晶体中，表层离子失去外层离子后，破坏了静电平衡，由于极化作用，造成了双电层效应。在LiF及
12、NaCl晶体表面均明显地出现双电层结构。12、用于表面分析的探针，应满足哪些条件？（1）与表面层物质有较强的相互作用。（由于表面层极薄，如果表面探针与表面互作用弱，就难以用较大的信噪比把表面的特有信息携带出来。）（2）探针基本不穿透表面。（一旦探针粒子进入体内，必然把体内信息同时引出。）在探针未获得信息前不得破坏表面原子结构。（3）灵敏度、分辨率高。（一般分辨尺寸应小于或远小于原子间距。原子间距大约在13左右，故采用微观粒子束，如电子、短波光子、轻离子等做表面探针材料可以达到要求。）13、表面探针与表面的相互作用14、常见的表面分析方法（给出英文全称以及中文含义，说明什么方法什么原理）AES
13、（Auger Electron Spectroscopy) 俄歇电子谱LEED (Low Energy Electron Diffraction) 低能电子衍射RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) 反射高能电子衍射EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy) 电子能量损失谱HREELS (High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy) 高分辨电子能量损失谱FIM (Field Ion Microscopy) 场原子显微镜FEM (Field
14、 Emission Microscopy) 场发射显微镜PEEM (Photo Emission Electron Microscopy) 光电发射电子显微镜XRD（X-Ray Diffraction) X射线衍射谱UPS (Ultraviolet Photoemission Spectroscopy) 紫外线电子谱XPS (X-ray Photoemission Spectroscopy) X射线光电子谱SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) 表面增强拉曼电子谱IRAS (Infrared Absorption Spectroscopy) 红外吸
15、收光谱ISS （Ion Scattering Spectroscopy) 离子散射谱SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) 二次离子质谱HSS (Helium Scattering Spectroscopy) 高能散射电子谱TPD (Temperature-Programmed Desorption) 程序升温脱附法TPR (Temperature-programmed Reduction 程序升温还原法STM (Scanning Tunneling Microscopy) 扫描隧道显微镜法Work Function Measurements AFM (A
16、tomic Force Microscopy) 原子力显微镜法15、二次电子与俄歇电子的含义入射电子和原子的价电子发生非弹性碰撞，使价电子获得入射电子损失的能量，而脱离原子核的束缚逃逸到真空中，所产生的为二次电子。当35 keV的入射电子轰击元素的原子时，原子内层电子被激发到外层，并在此能级上留下一个空位。使原子由原来能量较低的稳态而变成其它较高能量的非稳定态激发态。能量较高能级上的电子可能通过非辐射复合而落到这个空位，使能量降低。在退激过程中，多余的能量可把另一能级上的电子激发到真空能级之外。这种激发出来的电子，被称为俄歇电子。16、俄歇跃迁（文字+图+描述）外来的激发源与原子发生相互作用，
17、把内层轨道（X轨道）上的一个电子激发出去，形成一个空穴。次外层（Y轨道）的一个电子填充到内层空穴上，产生一个能量释放， 促使外层（W轨道）的电子激发发射出来而变成自由的俄歇电子。这个过程称为俄歇跃迁。17、AES特点表面性（12nm）；AES具有很高的表面灵敏度，其检测极限约为10-3原子单层 ；可以同时分析除 氢、氦 以外的所有元素；半定量分析 表面成份；化学价态分析；微区分析；界面分析；18、AES样品制备（1）俄歇电子能谱仪对分析样品有特定的要求，在通常情况下只能分析固体导电样品。经过特殊处理，绝缘体固体也可以进行分析。（2）粉体样品原则上不能进行俄歇电子能谱分析，但经特殊制样处理也可以
18、进行一定的分析。（3）由于涉及到样品在真空中的传递和放置，待分析的样品一般都需要经过一定的预处理；主要包括样品大小，挥发性样品的处理，表面污染样品及带有微弱磁性样品等的处理。19、AES采样深度（1）俄歇电子能谱的采样深度与出射的俄歇电子的能量及材料的性质有关。（2）一般定义俄歇电子能谱的采样深度为俄歇电子平均自由程的3倍。（3）根据俄歇电子的平均自由程的数据可以估计出各种材料的采样深度。一般对于金属为0.5 2 nm，对于无机物为1 3 nm，对于有机物为1 3 nm。从总体上来看，俄歇电子能谱的采样深度比XPS的要浅，更具有表面灵敏性。20、关于俄歇电子能谱分析（1）表面元素定性鉴定金刚石
19、表面的Ti薄膜的俄歇定性分析谱如图中的C KLL表示碳原子的K层轨道的一个电子被激发，在退激发过程中，L层轨道的一个电子填充到K轨道，同时激发出L层上的另一个电子。这个电子就是被标记为C KLL的俄歇电子。由于俄歇跃迁过程涉及到多个能级，可以同时激发出多种俄歇电子，因此在AES谱图上可以发现 Ti LMM 俄歇跃迁有两个峰。（2）表面元素半定量分析 在SiO2/Si界面不同深度处的Si L V V 俄歇谱从图上可见，Si L V V 俄歇谱的动能与Si原子所处的化学环境有关。在SiO2中，Si L V V 俄歇谱的动能为72.5 eV，而在单质硅中，其Si L V V 俄歇谱的动能则为88.5
20、 eV。我们可以根据硅元素的这化学位移效应研究SiO2/Si的界面化学状态。由图可见，随着界面的深入，SiO2的量不断减少，单质硅的量则不断地增加。（3）元素深度分析 PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱上图是PZT/Si薄膜界面反应后的典型的俄歇深度分析图。横坐标为溅射时间，与溅射深度有对应关系。纵坐标为元素的原子百分比。从图上可以清晰地看到各元素在薄膜中的分布情况。在经过界面反应后，在PZT薄膜与硅基底间形成了稳定的SiO2界面层。这界面层是通过从样品表面扩散进的氧与从基底上扩散出的硅反应而形成的。 （4）选点分析利用俄歇电子能谱可以在很微小的区域内进行选点分析，当然也可以在一个大面
21、积的宏观空间范围内进行选点分析。上图中，在、处选点，进行选点分析。结果可从图中得出，在、处均含有Si 和Ti两种元素，其位置分布在图中可以得到。（5）线扫描分析Ag-Au合金超薄膜在Si(111)面单晶硅上的电迁移后的样品表面的Ag和Au元素的线扫描分布见上图。横坐标为线扫描宽度，纵坐标为元素的信号强度。从图上可见，虽然Ag和Au元素的分布结构大致相同，但可见Au已向左端进行了较大规模的扩散。这表明Ag和Au在电场作用下的扩散过程是不一样的。此外，其扩散是单向性，取决于电场的方向。（6）元素面分布右上角为Cu，下图为Fe21、XPS的特点（1）可以分析除H和He以外的所有元素；（2）相邻元素的
22、同种能级的谱线相隔较远，相互干扰较少，元素定性的标识性强；（3）能够观测化学位移，化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。化学位移信息是利用XPS进行原子结构分析和化学键研究的基础；（4）可作定量分析，即可测定元素的相对浓度，又可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度；（5）是一种高灵敏超微量表面分析技术，样品分析的深度约为20，信号来自表面几个原子层，样品量可少至10-8g，绝对灵敏度高达10-18g。22、SIMS取样深度（1）SIMS的取样深度是一个很重要的参数，可是要从实验上进行测量却特别困难，（2）在一般的工作条件下(即相对表面的出射角度45），SIMS的取样深度要大大低于XPS。
23、（3）SIMS的采样深度应该是1nm数量级。 23、计算材料学从哪3个尺寸范畴考虑界面性质计算材料科学从三个不同的尺寸范畴考虑界面性质：基于第一性原理，从原子尺度考虑几十、几百个分子的多体交互作用；利用分子动力学和蒙特卡洛方法，从纳米尺度考虑几千至几百万个分子的多体交互作用；利用有限元方法，从宏观尺度考虑块体材料的工程学问题。许多处理晶体电子态的理论方法和量子化学中的一些方法已被用来处理表面、界面问题。常用求解表面、界面电子能态的方法有赝势法(PP）、紧束缚法(TB）、定域密度泛函法(LDF）、准粒子能带结构法和推广的Huckel方法(EHT），各种计算方法也在不断发展之中。 24、界面分类依
24、据形成途径分类：（1）机械作用界面：受机械作用而形成的界面称为机械作用界面。常见的机械作用包括切削、研磨、抛光、喷砂、变形、磨损等。（2）化学作用界面：由于表面反应、粘结、氧化、腐蚀等化学作用而形成的界面称为化学作用表面。（3）固体结合界面：由两个固体相直接接触，通过真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的界面称为固体结合界面。（4）液相或气相沉积界面：物质以原子尺寸形态从液相或气相析出而在固态表面形成的膜层或块体称为液相或气相沉积界面。（5）凝固共生界面：两个固相同时从液相中凝固析出，并且共同生长所形成的界面称为凝固共生界面。（6）粉末冶金界面：通过热压、热锻、热等静压、烧结、热喷涂等
25、粉末工艺，将粉末材料转变为块体所形成的界面称为粉末冶金界面。（7）粘结界面：由无机或有机粘结剂使两个固相结合而形成的界面称为粘结界面。（8）熔焊界面：在固体表面造成熔体相，然后两者在凝固过程中形成冶金结合的界面称为熔焊界面。依据结晶学分类：（1）平移界面：在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量。其间的界面称为平移界面。（2）孪晶界面：其隔开的两部分晶体间以特定的取向关系相交接, 从而构成新的附加对称元素，如反映面、旋转轴或对称中心。（3）混合界面：前两者的混合。（4）反演界面：当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面 IB。25、
26、相界的分类（图文说明）根据界面上的原子排列结构不同，可把固体中的相界分为共格的、半共格的以及非共格的三类。 (1)共格界面当两相在某种晶面上具有相同的原子分布方式及相近的原子间距时，两相的晶格在界面上能够相互衔接，一一对应，以致晶界两侧的点阵越过界面是连续的，这种界面称为共格界面，如图所示。 共格界面(每个晶体的化学成分不同，但晶体结构相同)(2)半共格界面当相邻两相的结构相差较大时，相界面不能再维持完全共格，而出现了一系列非共格的部分，这种情况通常是在界面上形成一系列的刃型位错线，以此来补偿界面上原子间的不匹配，并使界面上的畸变和弹性应变能降至最低。从能量角度而言，以半共格界面代替共格界面更
27、为有利，如图所示。半共格界面(平行于界面的错配有一系列刃型位错)(3)非共格界面当两个邻接的相在界面上的原子排列结构差异很大时，界面两侧就不可能有很好的匹配。若两相原子排列差异很大或是即使它们的排列相似但原子间距差异超过25%，这两种情况都产生所说的非共格界面。一般说来，两个任意取向的晶体沿任意面接合就获得非共格界面，如图所示。非共格界面(平行于界面的匹配很差)26、晶界分类(1) 按两个晶粒之间夹角的大小来分： 小角度晶界： 0310 中角度晶界： 31015 大角度晶界： 15 (2) 根据晶界两边原子排列的连贯性来分：共格晶界: 两种相的原子在界面处完全匹配，形成完整格界面。半共格晶界：
28、晶面间距相差较大，在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配 。 非共格晶界: 界面上两相原子无任何匹配关系。 27、晶界对材料性能的影响（晶界的作用）（1）降低材料机械强度（2）晶界能够富集杂质原子（3）晶界原子能量较高可以成为高温传质过程的快速通道。28、润湿与吸附润湿：是固液界面上的重要行为,液体在与固体接触时，沿固体表面扩展的现象。固液接触后，体系吉布斯自由焓降低时就称为润湿。润湿分类按润湿程度分类：附着润湿：液气界面(L-g)+固气界面(S-g)固液界面(S-L)浸渍润湿：固体浸入液体中的过程铺展润湿：置一液滴于一固体表面。恒温恒压下，若此液滴在
29、固体表面上自动展开形成液膜，则称此过程为铺展润湿。29、在什么情况下调整表面粗糙度可以改变润湿效果（为接触角） （1）90时，即在润湿的前提下，表面粗糙化后变小，更易为液体所润湿。（2）90时， ，即在不润湿的前提下，表面粗糙化后变大，更不易为液体所润湿。 大多数有机液体在抛光的金属表面上的接触角小于90，因而在粗糙金属表面上的表观接触角更小。30、浮游选矿（重点）浮游选矿原理示意图当矿砂表面有5%被捕集剂覆盖时，就使表面产生憎水性，它会附在气泡上一起升到液面，便于收集。选择合适的捕集剂，使它的亲水基团只吸在矿砂的表面，憎水基朝向水。31、要想达到良好的粘附表面化学条件应该是？ （1）被粘附体
30、的临界表面张力C要大或使润湿张力F增加，以保证良好润湿。 （2）粘附功要大，以保证牢固粘附。 （3）粘附面的界面张力SL要小，以保证粘附界面的热力学稳定。 （4）粘附剂与被粘附体间相溶性要好，以保证粘附界面的良好键合和保持强度。为此润湿热要低。 上述条件是在P=0，（SV-SL）=LV的平衡状态时求得的。 32、复合体系的界面结合特性界面相是复合材料的一个组成部分，其作用可以归纳一下几个方面。传递作用：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强体之间的桥梁作用阻断作用：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用保护作用：界面相可以保护增强体免受环境的侵蚀，防止基体与
31、增强体之间的化学反应，起到保护增强体的作用。33、接合的概念和制备方法（若为简答，则简单列出即可，若为简述，则应略加描述）所谓接合，是指为得到具有指定（特定）特性的坯料而使用的一种材料复合手段。常见制作方法：（1）机械嵌合：ZrO2与钢的组合是最常用的构件之一，这种接合方式是典型的机械嵌合方式。将钢管加热升温后再与ZrO2管插接。钢管的热膨胀系数远大于ZrO2管，冷却后套在外侧的钢管收缩，对内侧的ZrO2管施加预应力（压力）。（2）固相扩散接合：在高温下对接合体加压，使两者之间发生元素间的扩散并紧密地接合在一起。固相扩散接合的主要目的是通过加压的方式，将金属表面上生成的氧化物破碎，使新的金属层暴露出来，更好地促进扩散或反应的进行。（3）压接：与固相扩散接合方式相比，压接时可以采用的压力范围很大。例如，从热压机可实现的设备压力到热等静压方式的压力都属于压接的适用压力范围。（4）摩擦焊：接合体在加压状态下进行高速的相对旋
