固体表面的接触
(最新整理)固体表面及界面接触现象(1)分解
q(ps pns n)
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§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
若用 σ ( 0 ) 表示表面处为平带时的薄层电导，
则半导体表面层总的薄层电导为：
σ σ(0 ) q (p s p n s n )
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§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
从式（6-15）可以看到，当Vs改变时，Qs也改 变，也就是说表面空间电荷层的面电荷密度Qs随 表面势Vs改变而变化，这相当于一个电容效应。 可求得微分电容：
[1exp(qVs )]np0[exqpV (s )1]
Cs
rs0
LD
kBT pp0
kBT
F(qV,snp0)
9
§6 固体表面及界面接触现象
6.1 表面态
表面态对半导体的各种物理过程有重 要影响,表面态的带电将产生一个垂直半 导体表面的电场，与此相关的效应将在 下一节讨论。
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§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
（一） 半导体表面受外场的影响
在一块与半导体表面平行的平板金属与半导 体之间加上外电压V，就会有一个电场（强度 E0)作用于半导体表面，这相当于金属与半导 体之间构成平板电容器。
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§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
5. 深耗尽状态
因为空间电荷区中多子对外电场改变的响应几乎是瞬 时的（约10-12秒），而少子的响应则要慢得多（约100~102 秒），如果表面电场的幅度较大（其方向对P型半导体是 由表面指向体内）、变化又快（例如以阶跃脉冲形式加 上），则刚开始的瞬间少子还来不及产生，因而也就没有 反型层，为屏蔽外电场，只有将更多的空穴（多子）进一 步排斥向体内（空穴是多子，跟得上外电场变化），由更 宽的耗尽层（大于强反型状态时的耗尽层宽度）中的电离 受主来承担。这种非平衡状态就叫深耗尽状态。
高二物理竞赛课件：固体表面及界面接触现象之表面态
晶体表面，晶格突然断裂，最外层的Si原子
出现未配对电子，即存在一个未饱和的键，称为
悬挂键。பைடு நூலகம்
悬挂键上的电子对应的能量状态称为表面态。
从能量高低的角度考虑，表面态的能量高于价带中的电子能量（体内配
对价键上的电子能量）低于导带中的电子能量（晶格空间的准自由电子的能
量状态），因此它的能量值必定在禁带范围内。
微分电容
其中：
() = [+ − − + () − ()൧
讨论非简并情况，满足玻尔兹曼分布，则
B
B
其中np0和pp0分别表示半导体内部热平衡电子浓度和热平衡空穴浓度。
外电场垂直作用于热
平衡P型半导体表面
层所满足的泊松方程。
B
B
电荷密度 QS 0 E0 。
• 金属和半导体的表面存在一定的电荷分布。
空间电荷区
• 空间电荷区的存在可以屏蔽外电场，使其不能深入半导体内部（空间电荷区存在
内建电场）。
由于表面层内存在电场，必然存在势能。附加了电势能后，
半导体表面层内的能带必然发生变化。下面以P型半导体为
例分析。
电子电势：
电势：
外加电场：
E ( x)
电场方向由半导体表
面指向半导体内部。
dV ( x)
dx
qV ( x)
半导体表面与体内之间的电
势差称为半导体的表面势。
空穴电势的变化
情况与电子相反。
空间电荷区出现附加的静电势能，使电子在半导体内部
和表面层的势能不相同，则相应的能带发生变化。
这种半导体表面空间电荷区
表面能带
悬挂键的密度很高
《无机非金属材料科学基础》第6章 固体的表面与界面行为
由此我们可以得到一个重要的结论:肥皂池的半径越 小，泡膜两侧的压差越大。
上式是针对球形表面而言的压差计算式，对于 一般的曲面，即当表面并非球形时，压差的计算式 有所不同。一般地讲，描述一个曲面需要两个曲率 半径之值;对于球形，这两个曲率半径恰好相等。一 般曲面两个曲率的半径分别为R1和R2。我们可以得 到一般曲面的压差计算式:
1. 共价键晶体表面能
2. 离子晶体表面能
每一个晶体的自由焓都是由两部分组成，体积 自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。为了计算 固体的表面自由焓，我们取真空中0K下一个晶体 的表面模型，并计算晶体中一个原子(离子)移到晶 体表面时自由焓的变化。在0K时，这个变化等于 一个原子在这两种状态下的内能之差。
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节
表面与界面物理化学基本知识 固体的表面(固-气) 固-液界面 浆体胶体化学原理 固-固界面
6.1 表面与界面物理化学基本知识
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相界面。相界面有
界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微 裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是 因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用， 使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论， 并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
接触角测试标准
接触角测试标准接触角测试是一种常见的表面性质测试方法，通过测试液体在固体表面的接触角来评估表面的亲水性或疏水性。
接触角测试广泛应用于材料科学、表面工程、涂料、油墨、纺织品、医疗器械等领域。
在进行接触角测试时，需要严格遵守相关的测试标准，以确保测试结果的准确性和可比性。
一、测试仪器和设备。
在进行接触角测试时，需要使用专业的接触角测试仪器，如旋转滴定仪、静态接触角仪等。
这些仪器通常配备有高精度的摄像头和图像分析软件，能够实时捕捉液滴在固体表面的形态，并计算出接触角的数值。
在选择测试仪器时，需要考虑样品的大小、形状、表面性质等因素，以确保测试的准确性和可重复性。
二、样品准备。
在进行接触角测试之前，需要对样品进行准备。
首先，需要确保样品表面干净、平整，没有杂质和污染物。
其次，需要根据测试要求选择合适的测试液体，常用的测试液体有水、甘油、二甲基硅油等。
在选择测试液体时，需要考虑样品的表面性质和测试的目的，以确保测试结果的准确性和可比性。
三、测试方法。
接触角测试通常包括动态接触角测试和静态接触角测试两种方法。
动态接触角测试是通过测量液滴在固体表面的滚动角速度来计算接触角，适用于表面能较低的样品。
静态接触角测试是通过测量静止液滴在固体表面的接触角来评估表面的性质，适用于表面能较高的样品。
在进行测试时，需要根据样品的特点选择合适的测试方法，并严格按照相关的测试标准进行操作。
四、数据分析。
在完成接触角测试后，需要对测试数据进行分析。
通常可以通过图像分析软件测量液滴的形态和接触角的数值，也可以通过数学模型计算表面的能量和粗糙度等参数。
在数据分析过程中，需要注意排除测试误差和干扰因素，确保测试结果的准确性和可靠性。
五、测试标准。
在进行接触角测试时，需要严格遵守相关的测试标准。
不同的行业和应用领域通常有相应的测试标准，如ASTM、ISO、GB等。
在选择测试标准时，需要考虑样品的特点和测试的目的，以确保测试结果的准确性和可比性。
氮吸附原理
氮吸附原理
氮吸附原理是指通过将氮气与固体表面接触，利用氮分子在固体表面上吸附的性质来判断固体材料的孔隙结构和表面特性。
氮分子在固体表面吸附时，会发生物理吸附和化学吸附两种过程。
物理吸附是指氮分子通过静电力、范德华力等相互作用力被吸附在固体表面上，没有形成化学键。
物理吸附通常发生在低温下、低压力下，吸附过程相对可逆。
化学吸附是指氮分子与固体表面的原子或分子之间发生化学反应，形成化学键。
化学吸附通常发生在高温下、高压下，吸附过程相对不可逆。
通过测量固体材料对氮气的吸附量和压力之间的关系，可以获取吸附等温线。
根据吸附等温线的形态，可以推断固体材料的孔隙结构和表面特性。
例如，当吸附等温线呈现类似Langmuir等温吸附线的形态时，表明固体具有均匀且相互独
立的吸附位点，孔隙结构较为均匀。
而当吸附等温线呈现类似BET等温吸附线的形态时，表明固体具有多层次的孔隙结构。
氮吸附原理在材料科学、化学工程、环境科学等领域中得到广泛应用。
通过氮吸附分析，可以评估固体材料的比表面积、孔隙体积、孔径分布等参数，以及表面化学性质和吸附能力，进而指导材料的设计和应用。
接触冲刷名词解释
接触冲刷名词解释
接触冲刷 (contact erosion) 是指由于流体 (如液体或气体) 与固体表面接触而产生的破坏现象。
在接触冲刷过程中，流体高速流经固体表面，对其造成冲刷和侵蚀，从而导致固体表面发生磨损和破坏。
接触冲刷通常发生在高速流体流经管道、叶片等部件时，在这些部件上的摩擦和压力作用下，流体动能转化为热能，导致部件表面温度升高，加剧了接触冲刷的破坏作用。
接触冲刷在许多工业领域都有广泛应用，如石油和天然气开采、流体输送、航空和航天等领域。
因此，研究接触冲刷的机理和抑制方法具有重要的工程和应用价值。
接触冲刷的机理涉及到流体力学、材料力学和热力学等多个学科，近年来得到了广泛的研究。
研究接触冲刷的抑制方法通常包括材料选择、表面修饰、流体优化等方面。
其中，材料选择是最有效的方法之一，可以采用高性能的材料，如高强度、高硬度的材料，以减轻接触冲刷的破坏作用。
表面修饰也是一种有效的抑制方法，可以通过在材料表面修饰一层保护层，来减缓流体对表面的冲刷和侵蚀。
流体优化也是一种常用的方法，可以通过改变流体的性质和流动条件，如提高流体的压力和速度，来减轻接触冲刷的破坏作用。
接触冲刷是一种严重的工程问题，对于许多工业领域都有着重要的负面影响。
因此，研究接触冲刷的机理和抑制方法具有重要的工程和应用价值。
接触角测试标准
接触角测试标准接触角测试是一种常见的表面性质测试方法，通过测量液体与固体表面接触的角度来判断表面的亲水性或疏水性。
接触角测试广泛应用于材料科学、化工、生物医药等领域，对于表面处理、涂覆材料的选择和性能评价具有重要意义。
本文将介绍接触角测试的标准方法和注意事项。
一、接触角测试的标准方法。
1. 准备工作，在进行接触角测试前，需要准备好实验所需的仪器设备，包括接触角测量仪、光源、相机等。
此外，还需要选择合适的测试液体，常用的有水、甘油、二甲基二氯甲烷等。
2. 样品制备，将待测试的固体样品制备成平整的表面，并确保其清洁干净，避免灰尘、油污等对测试结果的影响。
3. 测量步骤，将测试液体滴在样品表面，通过接触角测量仪测量液滴与样品表面的接触角度。
在测量过程中，需要注意控制液滴大小和滴液速度，保持测试条件的一致性。
4. 数据处理，根据测得的接触角数据，可以计算出表面的亲水性或疏水性指标，从而评价样品的表面性质。
二、接触角测试的注意事项。
1. 样品表面处理，在进行接触角测试前，需要对样品表面进行适当处理，以确保测试结果的准确性。
常见的处理方法包括清洗、打磨、涂覆等。
2. 测量条件控制，在进行接触角测试时，需要严格控制测试条件，包括温度、湿度、光照等因素，以确保测试结果的可比性。
3. 重复测量，为了提高测试结果的可靠性，建议进行多次重复测量，并取平均值作为最终结果。
4. 数据分析，对于接触角测试得到的数据，需要进行合理的分析和解释，结合样品的实际应用需求进行评价。
5. 仪器校准，定期对接触角测量仪进行校准，以确保测试结果的准确性和可靠性。
三、结论。
接触角测试作为一种常见的表面性质测试方法，在材料科学和工程领域具有重要的应用价值。
通过本文的介绍，相信读者对接触角测试的标准方法和注意事项有了更深入的了解，能够在实际应用中更加准确地进行接触角测试，并得到可靠的测试结果。
接触角测试的标准化和规范化将有助于推动该领域的发展，促进材料表面性质研究的进步。
固体表面产生化学吸附的原因
固体表面产生化学吸附的原因以固体表面产生化学吸附的原因为题，我们将详细探讨化学吸附的机制和原因。
化学吸附是指气体或溶液中的分子与固体表面发生化学反应并吸附在表面上的现象。
这种吸附是由于分子间的相互作用力导致的。
以下将从分子间力、化学键形成和表面特性等方面解释固体表面产生化学吸附的原因。
分子间力是导致化学吸附的主要原因之一。
分子间力包括范德华力、氢键和离子键等。
范德华力是非极性分子之间的相互作用力，是由于电子在分子中的分布不均匀而产生的。
当气体或溶液中的分子与固体表面接触时，分子间的范德华力会使分子倾向于在表面附近聚集，从而产生化学吸附。
另一种分子间力是氢键，它是由于氢原子与氮、氧或氟等电负性较高的原子形成的强相互作用力。
氢键的形成使得分子更容易吸附在固体表面上。
离子键是由正负电荷之间的相互作用力引起的，当带电的离子与固体表面接触时，离子间的吸引力使得离子更容易吸附在表面上。
化学键形成也是固体表面产生化学吸附的原因之一。
当气体或溶液中的分子与固体表面接触时，表面的活性位点会与分子中的化学键断裂或形成新的化学键。
这种化学反应导致分子与表面之间形成了化学键，从而使分子吸附在固体表面上。
例如，金属表面上的氧化反应会导致氧分子与金属表面形成金属氧化物，从而实现化学吸附。
固体表面的特性也对化学吸附起到重要的影响。
固体表面的特性包括表面活性位点的种类和密度、表面结构和形貌等。
表面活性位点是指固体表面上能够与分子发生化学反应的位置。
表面活性位点的种类和密度决定了吸附分子与固体表面之间的相互作用力的强弱。
固体表面产生化学吸附的原因主要包括分子间力、化学键形成和表面特性等。
分子间力使分子在固体表面附近聚集，化学键形成使分子与固体表面发生化学反应并吸附在表面上，而固体表面的特性决定了吸附的效果。
通过深入理解这些原因，可以更好地理解和控制固体表面的吸附现象，为实际应用提供理论基础和指导。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 3R 3 2E F
1 3
σmax = δ=
3
3 R1 R2 F 3F 3 R1 R2 1 2 1 2 2 2a 2 1 2 E E2 1
9 R1 R2 1 1 1 1 16 R1 R2 E1 E2
当 ＜0.6时，为弹性变形； ＞1时，开始出现塑性变形； ＞10时，完全为塑性变形。 由于大多数表面的值都超过1，所以几乎在任 何接触情况下，都有某些接触微凸体为塑性变 形。
四、研究接触特性的方法
弹性变形和塑性变形的转变点，可用塑性指数来衡量：
E HB
式中 E— H B— Ra— R —
Ra R
综合弹性模量； 材料的硬度； 轮廓算术平均偏差； 微凸峰的曲率半径。
当表面粗糙度Ra值大，R小，HB低，则 值大， 接触变形容易达到塑性状态； 反之，表面光洁，微凸体曲率半径大，硬度 高，值小，则接触变形可能为弹性。
2 2 1 2 9 3 W 4E2R F 2 1 3
3
接触面上的最大接触应力σmax与载荷的立方根成正比。 与两圆柱体的接触比较，球体接触面上的应力值与载荷 关系较不敏感。
五、接触面积的计算
1、单一球体同光滑平面的接触
接触面上的压力和变形可以用单个球体接触时的赫兹接触公式 进行计算。
真实接触面积为： Ar nAi nR2 Z d nR2 载荷和面积的关系为：
F
2E 3 2 n R
3 1 2
Ar
3
2
弹性变形时，载荷与真实接触面积的3/2次方成正比。
2） 塑性接触
当载荷较大时，由于真实接触面积很小，接 触面积上的应力可能达到材料的屈服极限σs， 使接触面积上的材料发生塑性变形。
20
200 500
25X10 –5
20X10-4 5X10-2
W
V
接触面积
阿查德（Archard）认为，在弹性接触的情 况下，实际接触面积与所加载荷的关系可用下式 描述
Ar KL
m
m——取决于表面接触模型
二、接触模型
由于Ar 很小，故在此面积上的接触压力远远大 于Aa上的压力。为了计算A上的压力，首先将微凸体
固体表面的接触又有弹性接触和塑性接触之分。
一、接触面积
对实际粗糙表面的接触，定义了三种含义 不同的接触面积，即名义接触面积An 、轮廓 接触面积Ac和实际接触面积 Ar 。
接触面积
所谓名义接触面积，又称表观接触面积，即是把参 与接触的两表面看成是理想的光滑面的宏观面积，记为 An，它由接触表面的外部尺寸决定。名义接触面积为:
固体表面的接触是研究摩擦磨损的基础，如 果不了解两个固体表面接触时的情况，就无法搞 清摩擦和磨损的实质。
接触表面间的相互作用
实际上只在少数较高的微凸体上产生接触， 由于实际接触面积很小而接触点上的应力很大， 因此在接触点上发生塑性流动、粘着或冷焊。 这种接触点叫做接点，也称粘着点或结点。
金属间的焊合性 ：与两金属性质有关。
2 载荷为：F= ER 3
1 2
3 2
弹性变形后接触面积为: A=
R
可见，真实接触面积与载荷的2/3次方成正比。
2、简单粗糙表面接触
假设粗糙表面微凸体的形状和大小都一样，且 为分布在同一高度上的半球形微凸体，并设与 其接触的是理想的刚性平面
1）弹性变形
1 4 E2 R2 2 2 n 总载荷为： F 3 2 1 2 3
的形状模型转化为宏观的规则几何形状，一般可假
设为球体、圆柱体、锥体等形状的组合接触。在多
数情况下，都按球状微凸体进行分析和计算。
三. 接触及接触变形的方式
接触变形方式：
弹性接触 （Hertz接触）
塑性接触 弹塑性接触 接触方式： 点接触、线接触、面接触
Ball-on -disk
Pin –on -disk
机械相互作用 ：较硬的表面微凸体会嵌入 较软的表面中，较软的材料表面微凸体被压扁 和改变形状。
理想固体表面间的接触
所谓理想的固体表面，是指不考虑其粗糙度
的理想光滑表面。理想固体表面的接触问题是
接触力学研究的重要基础内容。
根据其接触特点，通常可将理想固体表面
的接触问题分为点接触和线接触两种情况加以
讨论。而根据外加载荷的大小或变形是否可逆，
第三章 固体表面的接触
一、在外加载荷作用下，两个粗糙表面接触时， 其接触特性及变形特性如何？ 二 、两球体在载荷作用下发生弹性接触时，其假 设条件是什么？接触面积与载荷之间的关系如何？ 三、接触变形有哪些种类？ 四、平面与多凸体接触时，在简单模型条件下接 触面积与载荷的关系？ 五、什么是塑性指数？塑性指数如何影响两表面 之间的实际接触面积？ 六、实际接触面积与载荷之间的关系由什么因素 决定？ 七、要使材料能够承受较大的载荷而不产生屈服， 应该怎样选材？ 八、如何测量接触面积？
b=
σmax = δ=
F R1 R2 R1 R2 1 12 1 12 E E2 1
2 2 2 F 1 1 2 R1 1 2 2 R2 0.407 0.407 ln ln E1 b E2 b
An a b
轮廓接触面积，即是接触表面被压平部分所形成 的面积，如图中的小圈范围内所示的面积，记作Ac。 轮廓接触面积Ac仍然是一种假设的接触面积，约占名 义接触面积的5～15%。 Ac＝（5～15%）Aa
接触面积
实际接触面积，即是两接触表面真实接触面积的总和，记 为Ar。它是由粗糙表面较高微凸体接触构成的微观接触面积。 即图中虚线围住的中间小黑点的总和。实际接触面积在摩擦学 中具有重要意义。 Ar的大小与许多因素有关，主要与表面粗糙度、接触物 体的刚性和外界载荷的大小有关。在一般情况下，Ar只占Aa 的很小一部分，约为Ar＝（0.01～0.1%）Aa。 真实接触面积随载荷变化的情况（20 cm2的接触表面） 加载负荷，N Ar， cm2
表面轮廓高度按正态规律分布的接触模型
Ar=πnaRσe-h
F=2 naR
1 2
1 2
1 3 2 2
Ee-h
F=
2 EAr
R
1 2
1 2
na—单位面积内微凸体数；
—为轮廓高度的均方根偏差。
h= d
当微凸体高度随机分布时，随载荷增大，真实接 触面面积和实际接触面点数目成正比例增大。
4、接触性质的判断―塑性指数
Pin –on-ring
四、载荷与接触应力、接触变形
1、两平行圆柱体的接触
δ
δ
δ
δ
δ
δ
(b) (a) 接触宽度b，最大接触应力σ
max及中心距接近量δ
(c)
接触宽度b，最大接触应力σmax及中心距接近量δ
2 2 4 R1 R2 F 1 1 1 2 E E R1 R2 1 2
总载荷为 F= nFi = nAiσs = ArHB Ar为塑性变形后的真实接触面积, Ar=2πR2δ 由上式可见塑性变形后的真实接触面积与载荷 成正比, 且比弹性变形的真实接触面积大一倍。
N
Ar
N 切向力F
A0 A
Ar=A0+ A
3、微凸体高度随机分布时与光滑平面的接触
实际粗糙表面与光滑表面接触模型
ν、E—分别为材料的泊桑比和弹性模量
结论：
接触面上的最大接触应力σmax及接
触面积均与载荷F的平方根成比例。
2、两球体的接触
R1 O1
Z2 Z1
a O2 a R2 2a
σmax
x
接触宽度a，最大接触应力σmax及中心距接近量δ
3F R1 R2 1 1 1 2 a3 E E 4 R1 R2 1 2