材料表面与界面 第一章 固体表面
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材料表面与界面 Surface and Interface of Materials
May. 2015
References
1、孙大明等编著，固体的表面与界面，安徽 教育出版社，1996 2、朱履冰等编著，表面与界面物理，天津大 学出版社，1992 3、胡福增编，材料表面与界面，华东理工大 学出版社，20wk.baidu.com8 4、许并社编，材料界面的物理与化学，化学 工业出版社，2006 5、曹立礼著，材料表面科学（第2版），清华 大学出版社，2009 6、闻立时著，固体材料界面研究的物理基础， 科学出版社，2011
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
10
《哈利· 波特》中隐身术在现实世界中也可以实现
11
A schematic and two scanning electron microscope images with top and side views of a metamaterial that is composed of parallel nanowires embedded inside porous aluminum oxide.
所谓超高真空（UHV）都是在10-9（托）以下。若在室温，真空度为
10-10（托）的系统中，每秒只有3.8×1010 个气体分子和1 cm2 表面相碰
撞。此时在表面形成一个覆盖气体分子层则需要大约 8 h 的时间。在 这个状况条件下气体分子的平均自由程大约是50,000km。
完整的真空系统
热偶规
resolution optical imaging, nanocircuits for high-powered computers, and, to the delight of science-fiction and fantasy buffs, cloaking devices that could render objects invisible to the human eye.
18
Introduction (2)
Definition and classification of surface and interface:
The surface and interface is defined as a transition zone from a phase to another phase. (a) solid-gas surface
Introduction (1)
Surface and interface play an important role in material science. Decisive influence on the over-all properties of materials. Phenomena or processing that connects to surface and interface: corrosion, ageing, hardening, damage, printing, film painting, bonding, synthesis etc.
Based on the state of aggregation of substance：
(b) liquid-gas
(c) solid-liquid
(d) liquid-liquid
interface
(e) solid-solid
(a) Gas-Liquid Interface
(b) Gas-Solid Interface
(c) Liquid-Liquid Interface
(d) Liquid-Solid Interface
(e) Solid-Solid Interface
第1章 固体表面
Chapter 1 Surface of solid
Classification of solid surface Ideal surface Clean surface Adsorption surface
12
浙江大学研制的六边形柱状“隐身衣”
14
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
15
Surface structure of Shark Simulated shark’s surface was applied on airplane
转盘
热偶规
分子束
UHV腔
机械泵
泄漏阀
B-A计
机械泵
Ti 泵
气 瓶
分子泵
热偶规
离子泵
机械泵
(1) ledge surface
The surface is composed of regular or irregular ledges.
晶面1
（平面）
晶面3 晶面2
（立面） （连接面）
[110]
[111]
Scientists at the University of California, Berkeley, have for the first time engineered 3-D materials that can reverse the natural direction of visible and nearinfrared light, a development that could help form the basis for higher
Physical surface
Solid surface
Machined surface General/actual surface
1.1 Ideal surface
Surface
d Two-dimentional lattice plane with a theoretically complete structure 1. Ignoring the influence of the interruption of periodic potential inside at the surface of the crystal;
Ideal surface
Structure of ideal surface
1.2 Clean surface
Clean surface is referred to a surface on which physical and chemical effects such as adsorption, catalyzing reaction, impurity diffusion, etc., do not exist.
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。
需要高真空度的理由：
根据气体分子运动论，当气压为P（托，1 托 = 133 Pa = 1 mmHg ）、
温度为T（K）情况下，每秒钟同单位面积表面相碰撞的气体分子个数 为N。N=289×1022P(MT)-1/2 [cm2· s-1] ，其中M是气体分子量。
当真空度达到10-6 托左右，以氮气为例，在室温下，每秒大约有
3×1014 个气体分子同 1 cm2 的表面相碰撞，考虑固体表面一个单原子 层上的原子数，每平方厘米大约有1015 个 原子（原子间距以0.3 nm
计），如果和表面相碰撞的氮气分子全部被吸附于表面，则每隔 3 秒
钟就将形成一个单原子层覆盖于表面之上。
参见《微/纳米生物摩擦学》李健 等译。
16
金龟子及其表面微结构
金龟子外壳是一种自然结构与功能材料
螺旋纤维管道铺层对提高功能元件的强度与 断裂韧性有明显益处
17
科学家发现蝴蝶翅膀是天然 发光二极管
非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物的 光学显微图象
蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物内包含着一些被称为“光子晶 体”(Photonic Crystals)的微小结构，而这和发光二极管中的微孔 的作用机制非常类似。
interior
2. Ignoring the thermal motion, thermal diffusion and thermal defects etc. of the atoms at the surface;
3. Ignoring the external physical and chemical effects on the surface. The atomic sites and structure inside are infinitely periodic, and those on the surface are semi-infinitely periodic and exactly the same with those inside.
6
F22、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。
Course requirements
Teaching method：Lecture+Discussion Time assignment：60%+40% Examination：Test 60%+oral presentation 40%
Outline
Introduction Chapter 1 Surface of solid Chapter 2 Crystallography of surface Chapter 3 Interface of solid Chapter 4 Interface of composite materials and optimization of their interface Chapter 5 Thermodynamics and kinetics of surface and interface Chapter 6 Analysis and characterization of surface
Methods for obtaining the clean surface:
① ② ③
在获得超高真空的同时获得清洁的表面。 用简单的加热方法去除表面的沾污。 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。
Applications：
a. Components of aviation and aerospace b. Coatings for civil use c. Special surface and interface functional materials: biological surface and interface with special functions and micro-structure; superhydrophobic and super-hydrophilic materials.
[112]
周期
Pt（557）有序原子台阶表面示意图
(2) relaxed surface
指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距 ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
The chemical composition of the clean surface is the same as that inside, while the structure could be different from inside. To obtain the clean surface, special methods are needed and the super-high vacuum of 1.33×10-10 Pa must be maintained at the same time.
May. 2015
References
1、孙大明等编著，固体的表面与界面，安徽 教育出版社，1996 2、朱履冰等编著，表面与界面物理，天津大 学出版社，1992 3、胡福增编，材料表面与界面，华东理工大 学出版社，20wk.baidu.com8 4、许并社编，材料界面的物理与化学，化学 工业出版社，2006 5、曹立礼著，材料表面科学（第2版），清华 大学出版社，2009 6、闻立时著，固体材料界面研究的物理基础， 科学出版社，2011
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水泥基表面的树脂涂层
8
彩色钢板涂层示意图
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柱塞、阀座用耐磨陶瓷涂层
10
《哈利· 波特》中隐身术在现实世界中也可以实现
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A schematic and two scanning electron microscope images with top and side views of a metamaterial that is composed of parallel nanowires embedded inside porous aluminum oxide.
所谓超高真空（UHV）都是在10-9（托）以下。若在室温，真空度为
10-10（托）的系统中，每秒只有3.8×1010 个气体分子和1 cm2 表面相碰
撞。此时在表面形成一个覆盖气体分子层则需要大约 8 h 的时间。在 这个状况条件下气体分子的平均自由程大约是50,000km。
完整的真空系统
热偶规
resolution optical imaging, nanocircuits for high-powered computers, and, to the delight of science-fiction and fantasy buffs, cloaking devices that could render objects invisible to the human eye.
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Introduction (2)
Definition and classification of surface and interface:
The surface and interface is defined as a transition zone from a phase to another phase. (a) solid-gas surface
Introduction (1)
Surface and interface play an important role in material science. Decisive influence on the over-all properties of materials. Phenomena or processing that connects to surface and interface: corrosion, ageing, hardening, damage, printing, film painting, bonding, synthesis etc.
Based on the state of aggregation of substance：
(b) liquid-gas
(c) solid-liquid
(d) liquid-liquid
interface
(e) solid-solid
(a) Gas-Liquid Interface
(b) Gas-Solid Interface
(c) Liquid-Liquid Interface
(d) Liquid-Solid Interface
(e) Solid-Solid Interface
第1章 固体表面
Chapter 1 Surface of solid
Classification of solid surface Ideal surface Clean surface Adsorption surface
12
浙江大学研制的六边形柱状“隐身衣”
14
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
15
Surface structure of Shark Simulated shark’s surface was applied on airplane
转盘
热偶规
分子束
UHV腔
机械泵
泄漏阀
B-A计
机械泵
Ti 泵
气 瓶
分子泵
热偶规
离子泵
机械泵
(1) ledge surface
The surface is composed of regular or irregular ledges.
晶面1
（平面）
晶面3 晶面2
（立面） （连接面）
[110]
[111]
Scientists at the University of California, Berkeley, have for the first time engineered 3-D materials that can reverse the natural direction of visible and nearinfrared light, a development that could help form the basis for higher
Physical surface
Solid surface
Machined surface General/actual surface
1.1 Ideal surface
Surface
d Two-dimentional lattice plane with a theoretically complete structure 1. Ignoring the influence of the interruption of periodic potential inside at the surface of the crystal;
Ideal surface
Structure of ideal surface
1.2 Clean surface
Clean surface is referred to a surface on which physical and chemical effects such as adsorption, catalyzing reaction, impurity diffusion, etc., do not exist.
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。
需要高真空度的理由：
根据气体分子运动论，当气压为P（托，1 托 = 133 Pa = 1 mmHg ）、
温度为T（K）情况下，每秒钟同单位面积表面相碰撞的气体分子个数 为N。N=289×1022P(MT)-1/2 [cm2· s-1] ，其中M是气体分子量。
当真空度达到10-6 托左右，以氮气为例，在室温下，每秒大约有
3×1014 个气体分子同 1 cm2 的表面相碰撞，考虑固体表面一个单原子 层上的原子数，每平方厘米大约有1015 个 原子（原子间距以0.3 nm
计），如果和表面相碰撞的氮气分子全部被吸附于表面，则每隔 3 秒
钟就将形成一个单原子层覆盖于表面之上。
参见《微/纳米生物摩擦学》李健 等译。
16
金龟子及其表面微结构
金龟子外壳是一种自然结构与功能材料
螺旋纤维管道铺层对提高功能元件的强度与 断裂韧性有明显益处
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科学家发现蝴蝶翅膀是天然 发光二极管
非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物的 光学显微图象
蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物内包含着一些被称为“光子晶 体”(Photonic Crystals)的微小结构，而这和发光二极管中的微孔 的作用机制非常类似。
interior
2. Ignoring the thermal motion, thermal diffusion and thermal defects etc. of the atoms at the surface;
3. Ignoring the external physical and chemical effects on the surface. The atomic sites and structure inside are infinitely periodic, and those on the surface are semi-infinitely periodic and exactly the same with those inside.
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F22、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。
Course requirements
Teaching method：Lecture+Discussion Time assignment：60%+40% Examination：Test 60%+oral presentation 40%
Outline
Introduction Chapter 1 Surface of solid Chapter 2 Crystallography of surface Chapter 3 Interface of solid Chapter 4 Interface of composite materials and optimization of their interface Chapter 5 Thermodynamics and kinetics of surface and interface Chapter 6 Analysis and characterization of surface
Methods for obtaining the clean surface:
① ② ③
在获得超高真空的同时获得清洁的表面。 用简单的加热方法去除表面的沾污。 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。
Applications：
a. Components of aviation and aerospace b. Coatings for civil use c. Special surface and interface functional materials: biological surface and interface with special functions and micro-structure; superhydrophobic and super-hydrophilic materials.
[112]
周期
Pt（557）有序原子台阶表面示意图
(2) relaxed surface
指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距 ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
The chemical composition of the clean surface is the same as that inside, while the structure could be different from inside. To obtain the clean surface, special methods are needed and the super-high vacuum of 1.33×10-10 Pa must be maintained at the same time.