概要信息：

材料表面与界面 
材料科学与工程学系  程逵 
87953945（O） 
chengkui@zju.edu.cn 
绪论 
一、本课程建立背景 
(1) 材料科学与工程专业所关心的对象 
材料组成 
制备 
结构 
(原子排列范畴，晶粒排列范畴….) 
性能 
(声、光、电、磁、热等 ) 
相
互
间
的
关
系 
绪论 
(2) 前期课程 
• 理论基础课程： 
       大学物理，无机及分析化学，物理化学 
物理 ⇒   微观上原子或电子运动规律。 
               宏观上力、电、磁、热等变化规律。 
 
化学 ⇒  微观上原子或分子尺度讨论物质变化规律。 
              宏观上从热、浓度、酸碱度等方面讨论物质
变化规律；热力学和动力学。 
绪论 
 材料科学基础 
   材料科学基础、材料性能 
材料结构特性(材料种类本质上的区别)； 
物质(单晶)内原子和电子运动规律特征； 
材料热力学(相图)和动力学(扩散、烧结)； 
材料形成(单晶、多晶(金属、陶瓷)、非晶) 
       上述课程(包括)主要与块(或体)材料有关。 
绪论 
不同化学组成的材料具有不同的特性，应用于不同的领域  
玻璃为什么透明？ 
为什么要采用金属材料？ 
玻璃为什么不能
作为支撑材料？ 
? 
金属材料为什么是良好的力学性能？ 
（3）材料组成、结构与应用的关系 
绪论 
• SiO2 单晶(石英)具有压电性 
•SiO2（石英）玻璃具有良好的透光性和热稳定性 
耐高温
度器材、
光纤 
相同的化学组成，经不同制备方法，可形成不同
原子排列结构的材料，应用于不同的领域。  
绪论 
• 纳米铜 
  材料拉伸时的行为： 
             拉力～伸长的一般关系为 
应变 ε （％） 
应 
力 
 σ  
（MPa） 
陶瓷(<1%) 
金属(~20%) 
聚合物 
(~100%) 
绪论 
 纳米铜在～0.22Tm(260℃)下拉伸，原始长度1cm 
相同的晶相（化学组成和原
子排列结构），不同的微观
结构（晶粒尺寸），也会使
材料具有完全不同的特性。 
绪论 
• 上述现象都是与体材料的化学组成、原子排列
有序程度、晶相种类、微观结构等有关，通过
以前课程所学的知识都可以进行解释和说明。 
• 一些发生在材料的表面现象，可能很难用以前
课程所学的知识进行解释和说明。 
• 如： 
绪论 
(4) 表面的作用 
• 材料表面的去污(界面效应)  
   洗洁剂 
亲水基 
憎水基 
油滴 
材料表面 
油/水界面 油污去除 
绪论 
• 材料亲水性(表面效应)  
   防雾玻璃或镜子 
绪论 
易(自)洁玻璃 
玻璃 
TiO2 
薄膜 
 雨水 
灰尘 
绪论 
工作原理 
基板 
n-GaN 
p-GaN 
绪论 
半导体器件功能的产生(界面效应) 
绪论 
太阳能电池板 
滑动摩擦力尽可能小 
• 材料的表面改性(表面效应)  
      表面摩擦力 
绪论 
   表面改性原理 
滑动摩擦力（Q）=真实接触面积（Ar）×界面剪切
强度 （s） 
要使摩擦力小，材料的Ar和s要小，即，材料表面
要高硬度，低剪切强度。  
存在矛盾：滑动摩擦力↓ → 材料变形能力↑，结构
稳定性↓ 
表面改性途径：在高硬度材料表面与一层软金属
（Ag)薄膜组合来达到降低滑动摩擦力的目的。 
绪论 
• 很多材料的形成、材料和器件的性能（特性） 
是通过/依赖于材料表面/界面效应发挥出的！ 
• 材料表面和界面的科学与工程的知识对新材料
的研发和应用有着重要的作用！ 
绪论 
作用力(场) 材料的响应 
(光、电、热、磁等) 
结构 
与外界的响应 
作用力(场) 
响应(光、电、热、磁等) 
结构 
       本课程知识有利于对薄膜材料、复合材料、材料合
成、制备有关课程内容理解和掌握，以及为将来进行
“综合实践”和“毕业论文”学习环节提供良好的基础。 
(5) 本课程建立的目的 
  介绍材料表面和界面的物理与化学基础知识，为
理解材料表面和界面效应提供必要的知识。 
玻璃表面粗糙度如何？ 
表面是否易于清
洁？ 
? 
能否通过复合材料方式改进力学性能？ 
绪论 
绪论 
(6) 教学方式 
•课堂讲授：为主,结合二至三次的自学课，一至
二次的讨论课 
•讲授方式： 
    以“概念⇒概念间的关联(原理)⇒应用(概念
/原理与材料实际性能的关系)”为主线。 
    以“课程内容在材料科学与工程专业中起的
作用”为重点。 
•自学：少量讲授内容可能讲义中没有，则学生
应自找书籍加以巩固；讲义中部分内容可能不
在课堂上讲授，学生通过自学掌握。 
• 讨论：结合当前材料科学研究热点 
绪论 
 课堂作业： 
    做作业时，不要拘泥于唯一答案。要求对 
“概念”和“原理”有正确的认识、理解和应
用。 
   准备一本练习本。 
 提问：课间，电子邮件，作业上。 
绪论 
 学习要求： 
    掌握课程介绍的原理，特点和适用条件。 
     能结合实际正确应用相应的基本原理和技术。  
 考试：开卷 
 成绩：平时作业和表现（50％） 
                 期末考试成绩（50％）                 
绪论 
(7) 教材 
• 提供的讲义主要取自《表面和界面物理》和
《表面和界面物理化学》。 
• 在讲义中较少涉及到应用例子  
 
~nm 
~µm 
~cm 
第一章   表面与界面的原子结构 
材料表面 
~Å 
第一章   表面与界面的原子结构 
第一节  清洁表面 
• 在实际条件下，材料表面受到各方面因素影响，
从而使表面在结构上、组成上都可能发生改变。 
• 为了研究材料的本征表面特性，清洁表面才能用
来进行研究。 
• 清洁表面是相经过特殊处理(即保证组成上的确定
性)后，保持在超高真空下的表面(即保证表面不
随时间而改变)。 
第一节  清洁表面 
• 一般清洁表面是指经离子轰击加退火
热处理后的单晶表面。 
• 由于原子在体内部和在表面受到力不
同，则引起表面原子的排列与内部有
较为明显的差别。 
• 这种差异经过4～6层之后，原子的
排列与体内已相当接近，这个距离也
可以看作是实际清洁表面的范围。 
•在清洁表面中的研究主要针对最表面
层原子排列。 
第一节  清洁表面 
• 清洁表面观察 
   Fe表面 
STM 照片 
•表面层原子排列与内层不同 
放大照片 
模拟照片 
•但排列有规律的 
第一节  清洁表面 
• 结晶学上的概念和规则，二维格子中都适用。但由
于维数减少，相应的复杂性也减少，即空间群数(230 
→16) 、点群(32→4) 和布拉维格子(14 →5)。 
1.1   描述清洁表面原子排列结构的符号 
• 表面原子的排列方式虽然与体内有差别, 但表面原
子仍作对称和周期性的排列，常看成是二维格子。 
第一节  清洁表面 
伍德标记法 
• 当体内原子的排列，即衬底晶面晶格平移对称
性可表示为      
                T=n1a1+n2a2  
 
•表面原子的排列是由原子内部排列转化而来，
因此表面原子的排列与内部有一定关联。 
a1  
a2  
as2  
as1  
•表面晶格平移对称性为 
                   Ts=n1'as1+n2'as2  
•一般的关系为   as1 =pa1 as2 =qa2  
第一节  清洁表面 
• 如果as1//a1 as2 // a2 , 则表面晶格可表示为 
             R(hkl)p×q  D 
    式中R: 衬底材料的符号，(hkl): 衬底平面的密勒
指数，D是表面覆盖层或沉积物质的化学符号。  
第一节  清洁表面 
• 如 Si(100)表面原子排列 
Si(100)面的原子排列 
表面原子排列表记为：Si(100)2×2-Si = Si(100)2×2 
Si(100)表面原子排列 
第一节  清洁表面 
• 如果as1和as2间的夹角同a1和a2的夹角一样，表
面原子的排列形式转过一个角度α，则伍德简
式符号的表示为  
D
a
sa
hklR −⋅× α
2a
s2a
1
1)(
• 如硫原子在Ni(001)表面吸附。
硫原子排列相格子相当于衬底Ni
格子转动了45° 
Ni  
S  
Ni 
as2  as1  
S−°−× 4522Ni(001)
•伍德简式符号的表示为： 
第一节  清洁表面 
1.2 清洁表面的原子排列 
• 由于表面排列突然发生中断，表面原子受力
(化学键)情况发生变化，总效应是增大体系的
自由能。 
 •为了降低体系能量(减小表
面能)，表面附近原子的排
列必须进行调整。 
•调整的方式有两种： 
     (1)自行调整, 表面处原子排列与内部有明显不同； 
     (2)外来因素, 如吸附杂质, 生成新相等。 
第一节  清洁表面 
• 几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图 
 
 
 
 
•在清洁表面中，主要讨论弛豫和重构