表面

科学名词

表面是指固体表层一个或数个原子层的区域。由于表面粒子（分子或原子）没有邻居粒子，使其物理性和化学性与固体内部明显不同。例如：由于偏析造成化学成分与体内不同，原子排列情形不同，能吸附外来原子或分子形成有序或无序的吸附层等。

基本简介

由于固体表面的研究具有重大科学和实际意义，已经形成一门新学科－－表面科学；它包括表面物理、表面化学（界面化学）和表面分析技术三个主要方面。它有很多应用，例如金属和合金材料的腐蚀、磨损和断裂等问题；半导体器件的性能；多相催化机理；材料的老化和寿命以及受控热核反应装置中的材料问题等。

材料学中通常将气相（或真空）与凝聚相之间的分界面称为表面

美学上表面外观非常重要，可以利用电镀、油漆、氧化、漂白等方法达成。

定义

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的物质共存时，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）。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。在不同的技术学科（化工、冶金、材料、机械、微电子器件、军工、生命体系等）中，人们对材料表面的尺度往往有不同的划分和理解。从结晶学和固体物理学考虑，表面是指晶体三维周期结构同真空之间的过渡区，它包括不具备三维结构特征的最外原子层。Honig将表面定义为“键合在固体最外面的原子层”，Vickerman进一步将其指定为固体外表约1~10个单原子层。

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，也随着不同技术学科领域研究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。

主要特点

（1）由于表面上原子配位数减少，所以处于表面上的原子缺少相邻的原子，会失去三维结构状态下原子之间作用力的平衡。这样，解理后那些处于表面上的原子，必然要发生驰豫（relaxation），以寻求新的平衡位置，因而会发生重构（reconstruction）以降低表面的能量。重构是金属，大多数化合物解理后普遍存在的一种表面现象。

（2）表面原子配位数减少，必然造成处于最顶层的原子存在剩余价键。解理后表面上每个原子有一个悬挂键，具有给出或接受一个电子的能力，因此易于同环境发生相互作用。这就是固体表面在化学上比较活泼，具有特殊发应能力（reactivity）的物理起源。对于不同的材料以及不同的界面，由于自由键密度不同，因而它们的化学反应能力也各不相等。这就是不同金属表面的吸附和催化反应能力有差别的基本原因之一。总之，材料表面的电子结构完全不同于三维相。

性质

对于材料表面，重要的是上述两个基本特点会引起表面形成新的结构，因而会产生一系列特殊的固体表面物理化学现象，集中表现在以下几个方面：

（1）表面原子几何结构不同于体相，出现了重构，形成了新的对称性，元格结构，发生相变，同时表面上还会产生各种微观缺陷。对于这种表面结构的测定，已不能采用通常三维体相X射线衍射（XRD）技术，而必须依赖低能电子衍射（LEED），才能获得二维点阵，元格基矢的大小及相对于基底表面的晶格取向。需要说明的是，在讨论三维体相晶体结构时，用元胞（unit cell）这一名词以表示它们的基元结构；在讨论表面结晶学时，则多采用元格（unit mesh）一词表示表面的基元结构，以示和三维的区别。

（2）表面原子的迁移（migration）和扩散（diffusion）。由于解理后表面原子配位数的减少，相对于体内环境，处于表面上的原子其迁移和扩散运动要容易得多，因为所要克服的能量势垒较低。原子的迁移扩散必然引起表面原子的重新排列及相关元素的重新分布。对于合金，掺杂金属氧化物，含添加剂的聚合物及异质多层沉积膜，还会发生表面偏析（segregation）现象。结构将造成在垂直于表面法线方向上某些物种浓度分布的变化，出现局部富集。这样，必然会改变表面或界面层的化学组成。

（3）由于三维周期势的突然中断，在表面上形成了新的电子结构，如悬挂键。固体物理学家和半导体科学家通常将其称为“表面电子态”；固体表面化学家则习惯用“表面化学键“来定义表面上那种特殊的电子结构。表面特殊电子结构的存在，是影响表面光，电吸收和发射，以及影响表面或界面电子传输特性的关键因素。

（4）由于表面存在不饱和价键，因此在化学上表现异常活泼。这种特殊的表面电子结构使外来原子，分子已被活化，进一步引起“催化“反应。表面电子结构状况不仅直接影响外来原子或分子在固体表面上的吸附和催化反应，也是影响复合材料结合强度，复层光电薄膜性能的关键因素。

总之，表面上的原子几何排列，电子结构，元素组成及化学状态与体相已完全不同，因而在宏观上将表现出特殊的物理化学性质，这就构成高新技术领域研发利用的基础，形成以信息为代表的许多高新技术产业。事实上，对材料表面问题的认识及解决程度，已经并将进一步对高新技术产业的发展产生重大影响。

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