材料表面

结构、物性与体相不相同的整个表面层

材料表面是指结构、物性与体相不相同的整个表面层。表面上原子配位与晶体内部的各个原子的配位相比是不完全的，表面上的原子只有一边有近邻原子，因为它的能量较高，它们之间的结合也比内部要弱，当外来原子沉积到表面原子上时就会释放能量，产生表面吸附现象。

简介

在稳定状态下，自然界的物质通常以气、液、固三相（形态）存在。这三者之中，任何两相或两相以上物质共存时，会分别形成气-液、气-固、液-液、液-固、固-固乃至气-液-固多相界面（interface）。在化工、冶金、新材料、微电子器件、军工技术及生命体系中，我们都会发现这类共同的相界面问题的存在，并往往成为这些学科研究前沿的重点之一。相界面已成为许多技术学科面临的共同的研究对象。另一方面，表面和界面问题的研究与解决，对推动有关技术学科的进步产生了巨大的影响，对开展基础理论研究也起到积极的推动作用。通常所讲的固体表面（surface)实际上是指气-固两相界面，而看到的液体表面则是气-液两相界面。

从实用技术学科角度考虑，表面是指结构、物性与体相不相同的整个表面层。它的尺度范围常常随着客观物体表面状况的不同而改变，也随不同技术学科领域研究时所感兴趣的表面深度不同而给表面以不同尺度范围的划分。技术科学为解决特定的工程问题，往往需要获得的是特定表面厚度内有关结构的信息。如半导体光电器件研究，很重视几个纳米到亚微米尺度材料的表面特性；对于传统的冶金、机械行业中的表面加工、化工中的腐蚀与保护等，人们关心并要求解决的则是微米级厚度材料的表面问题；至于化学化工中吸附催化及各种沉积薄膜技术中的表面问题，人们研究的则是外来原子或分子同衬底最外层表面原子之间的相互作用，涉及的表面尺度往往在1~10nm。

特点

表面上原子配位与晶体内部的各个原子的配位相比是不完全的，表面上的原子只有一边有近邻原子，因为它的能量较高，它们之间的结合也比内部要弱，当外来原子沉积到表面原子上时就会释放能量，产生表面吸附现象。

影响因素

实际晶体表面也不是一个完整平面，按照表面的平台-台阶-扭折模型(如图1)，晶体表面的微观形貌可看为一沿二维方向扩展的面缺陷，它是影响表面特性的一个重要因素。

实例

这一理论是研究晶体生长过程得来的，并得到实验证明。对工程中大多数的材料，暴露于空气中的表面会出现吸附氧或水蒸气的薄层(几个原子层)，甚至产生化学反应形成氧化物或氢氧化物；通常氧化物的厚度有时可达5-10mm左右，长成的氧化物可以是非晶态的或晶态的。

大多数材料都要经过机械加工，这就导致材料表面在几个微米或十几个微米的表层中具有高位错密度和强烈的点阵畸变区。

研究意义

材料的表面与其内部本体，无论在结构上还是在化学组成上都有明显的差别，这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的，而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的，因此产生了表面能。对于不同组分构成的复合材料，组分与组分之间可形成界面，某一组也可能富集在材料的表面上。即使是单组分的材料，由于内部存在的缺陷(如位错等)或者晶态的不同形成晶界，也可能在内部产生界面。材料的表面界面对材料整体性能具有决定性的影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、黏结、复合等，无不与材料的表界面密切有关。因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。

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