概要信息：

材料表面与界面 
上节主要内容 
• 从静态角度来看表面：  
清洁表面形成时，表面
原子排列变化的原因 
清洁表面 表面原子
有序排列 
• 从动态角度来看表面： 
变化种类  
二维格子 伍德标
记法 
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 
思考题 
•哪些材料的性能取决于材料的表面特性？ 
 
第一节  清洁表面 
(1) 弛豫 
• 表面区原子(或离子)间距与体内相比有差别，但
排列的宏观对称性和晶胞参数保持不变, 这种变
化称弛豫。 
• 离子晶体表面的离子最易采取弛豫方式调整。离
子晶体中的作用力是库仑静电力，它是一种长程
作用力，没有方向性。 
• 一般在离子晶体表面离子位置偏移的具体方式：
常发生在垂直于表面方向。这样一般不引起点阵
平移对称性的变化，只是在微观对称性发生了变
化。 
第一节  清洁表面 
例子：NaCl 
 原因： 
体积大Cl离
子产生极化 
大约表面5层发生有不同程度的位移 
靠内侧的正
电性增加 
Na+产生
排斥作用 
Cl离子往
外部移动 
Na离子向
内部移动 
刚
形
成
表
面
时 
表
面
原
子
调
整
后 
调整时 
第一节  清洁表面 
(2) 重构 
•  当表面原子排列作了较大幅度的调整，与衬底
晶面原子的平移对称性（晶格常数）有明显不
同，这种变化称重构。 
第一节  清洁表面 
• 重构有两类情况：(a)表面晶面与体内完全不一
样，称超晶格或超结构。(b)表面晶胞的尺寸大
于体内，即晶格常数增大。 
超结构示意图 金(110)表面(1 ×2)重构的高分辨电子显微像 
第一节  清洁表面 
例子：Si 单晶表面重构，Si(111)2×1  
发生变化的过程：  
 Si单晶中原子间由sp3杂化而键合(键角109 o ) 。 
形成悬挂键时，会引起退杂化，未配对的电子恢
复成纯p键(态)或纯s键。引起剩余三根键杂化变化。 
纯p键：sp2杂化，
键角120o，  将表面
原子下拉0.11Å 
纯s键：p3杂化，键
角90o， 将表面原子
上升0.18 Å  
第一节  清洁表面 
InAs(111) 的重建 
空位型 
调整型 
吸附型 
第一节  清洁表面 
W(100) 表面重建（在氧的参与下） 
STM 照片 
第一节  清洁表面 
1.3 清洁表面的缺陷 
• 从热力学上来分析，清洁表面必然存在有各种
类型的表面缺陷。 
(1) TLK表面模型 
• 由LEED等表面分析结果证实，许多单晶体的
表面实际上不是原子级的平坦, 而是如图所示的
情形。 
L-台级，T-平台，K-台
级处的扭折，Suv-表面
空位，SLv-台级处空位，
SuA-表面自吸附原子，
SLA-台级处自吸附原子 
台级 台级上的扭折 
第一节  清洁表面 
(2) 点缺陷 
• 在平台上可能存在各种点缺陷，最为普遍的就
是吸附(或偏析)的外来杂质原子。表面上的正
负离子空位对、空位团簇。 
• 由于有表面能，表面原子的活动能力较体内大, 
形成点缺陷的能量小。因此表面上的热平衡点
缺陷浓度远大于体内。    
(3) 线缺陷  
• 位错往往要在表面露头, 可以将它看作是直径
为原子尺寸的一根管道, 从体内通到表面。如
果是螺位错, 则在表面形成一个小台阶。 
第一节  清洁表面 
1.4 表面原子结构对材
料研究和生产的影响 
• 半导体发蓝光二极管
是一个薄膜器件。每
一层的材料除化学组
成不同外，从结构上
要求是单晶薄膜 
基板 
n-GaN 
p-GaN 
单晶 
第一节  清洁表面 
• 大部分功能材料的晶体都是各向异性的。 
• 单晶化可最大程度发挥材料的特性和维持材料性能
的稳定性。 
• 二维材料则需要单晶薄膜 
MgO
（基板） 
薄膜 
多晶膜 
基板 
薄膜 
单晶膜 
Si(001)
（基板） 
Si3N4 
单晶膜原子像 
第一节  清洁表面 
• 单晶薄膜在一般在一个单晶（基板）表面（晶
种）上生成。 
•单晶薄膜是否能形成，
极大地取决于基板表面
原子结构（表面晶面晶
格常数和缺陷）。 
基板 
薄膜 
第二节  实际表面 
• 实际工作和生活中遇到的材料表面 
金属材料 陶瓷材料 高分子材料 
•这些材料表面不可能经离子轰击处理，保存在真空中 
第二节  实际表面 
第二节  实际表面 
• 经过一定加工处理(切割、研磨、抛光等)、在大气
环境下存在的单晶、多晶、非晶体的表面称为实际
表面。 
• 实际表面中关注是nm~µm级范围内表面微结构(组
织)、化学成分、形貌、不同形态(形状)材料表面的
特征。 
喷雾热解形成的TiO2薄膜 
200nm 200nm 2µm 
（1）为什么金属表面结构区域一般大于氧
化物？材料在抛光过程中发生哪些变化？
对材料产生哪些有利和不利作用？ 
（2）金属材料与氧化物材料表面成份与体
内有何区别？其原因是什么？ 
（3）纳米颗粒具有极高的反应活性，其原
因是什么？ 
 
第二节  实际表面 
2.l 表面粗糙度 
• 衡量表面平整程度时，当波距小于1mm时，表
面出现的不平整性称为表面粗糙度。 
不同尺寸下观察表面平整性 
10µm 
10µm 
第二节  实际表面 
(1) 表面粗糙度定量值 
•  当比较不同表面粗糙程度的大小时，需要有定
量或测量粗糙程度的方法。 
• 测量方法：选用一条轮廓中线(m), 中线是一条
理想的线，在此线上粗糙度为零。 
第二节  实际表面 
(a) 轮廓算术平均偏差Ra. 
•  在取样长度l内, 测量表面上一些点距中线m的
距离y1, y2, …, yn, 取其绝对值的算术平均值。 
∑
=
=
n
i
i
a n
y
R
1
其近似表达式为: 
y1 
y5 y4 y3 
y2 y6 
y7 
y8 
yi 
∫=
l
a dxy
l
R
0
1
公式表示为： 
第二节  实际表面 
(b) 微观不平整十点高度Rz 
• 在取样长度内, 从平行于中线的任何一条线起, 
到被测量轮廓的五个最高峰(yp1, yp2, ..., yp5)与
五个最低谷(yv1, yv2, ..., yv5)平均值之和。 
yv3 yv5 yvi 
yp3 yp1 
yp1 
yv1 yv2 
yv4 
ypi 
5
5
1
5
1
∑∑
==
+
= i
vi
i
pi
z
yy
R
第二节  实际表面 
(c) 轮廓最大高度Ry 
• 在取样长度内，除去个别明显的偏离值之后，
过最高峰和最低谷，分别作平行于中线的平行
线，这两条平行线间的距离称轮廓最大高度，
以Ry表示。 
Ry 
第二节  实际表面 
Ag = 10 ×10 µm，  
Ar 为曲面形成的面
积 
(2) 表面粗糙系数R 
• 一些材料表面形状复杂, 除了外表面外还有内表
面。一般采用粗糙系数R来表示。 
              R = Ar/Ag     
            式中Ag 为几何表面， Ar 为实际表面。 
Ar> Ag, R≥1。  
第二节  实际表面 
• 加工方式与粗糙系数  
材料  加工条件  粗糙系数  
铝  
箔  6  
板材抛光  1.6  
阳极氧化层，厚20µm  200~900  
铁  
2号金刚砂抛光，苯去脂 3.8 
膜 60  
R膜> R块> R箔 ≈ R抛光块 
第二节  实际表面 
(3) 粗糙度对材料研究和生产的影响 
 (a) 材料表面受力的影响 
• 由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互
接触时, 真实接触面积与表观面积差别较大。  
• 在实际应用中，表观面积与加工方式和负荷无
关。但真实接触面积会随受力负荷而改变。 
第二节  实际表面 
• 负荷为2kg时，则真实接触面积只是表观面积
的l/100,000。 
粗糙度会使材料表面受力不均匀，并可能产生损伤。 
•负荷为100kg时，真实接触面积为表观面积的l/200； 
超高分子量聚烯，
金属，陶瓷材料 
粗糙表面：易
产生磨屑，
“颗粒病” 
低粗糙度表
面：磨损量
小 
第二节  实际表面 
(b) 薄膜与基板的结合(附著)力 
钛合金 
羟基磷灰石 
骨 
化学键合 
(相互交融在一起) 
化学键合 
钛合金 骨 
界面存在着纤维组织 
骨与植入体没有键合 
强结合 
较强结合 
粗糙表面可以增加基板与涂层的结合力 
骨与植入体产生键合 
第二节  实际表面 
(c) 亲水性 
粗糙度10nm 粗糙度33nm  
辐照前  紫外线辐照3h  保存4天后 保存7天后  
粗糙度高  42°  0°  1°  26°  
θ 
粗糙度低  50°  5°  13°  32°  
θ 
第二节  实际表面 
课堂作业： 
   讲义上图1-3（p2）中反映了NaCl表面弛豫过程，
即Na和Cl离子产生位移后形成表面的晶格常数
与体内保持相同。请说明为什么离子发生移动
后，表面晶格常数仍能保持不变？ 
NaCl的理想结构与弛豫结构 
(a) 理想表面结构                    (b)表面弛豫结构 
• 该题目是针对“静态”时情景分析，即对表面
原子排列变化的分析。 
• 原子相对位置变化（垂直于平面移动） 
• 格点位置变化（格点是由什么组成） 
• 晶胞尺寸变化（晶胞对应置在哪里） 
a b 
c 
三维NaCL晶体结构 
格点 
a 
b c 
空间群数 
点群 
布拉维格子 
二维NaCL晶体结构 
原子间距～晶格（点阵）常数 
原子或离子～格点 
问题：在下图中表面原子也发生上下方向上的变
化，为什么称重构呢？ 
晶格(点阵)常数发生了变化 重构