基本介紹
介紹,定義,特點,性質,
介紹
由於固體表面的研究具有重大科學和實際意義，已經形成一門新學科－－表面科學；它包括表面物理、表面化學（界面化學）和表面分析技術三個主要方面。它有很多套用，例如金屬和合金材料的腐蝕、磨損和斷裂等問題；半導體器件的性能；多相催化機理；材料的老化和壽命以及受控熱核反應裝置中的材料問題等。
材料學中通常將氣相（或真空）與凝聚相之間的分界面稱為表面
定義
在穩定狀態下，自然界的物質通常以氣/液/固三相（形態）存在。這三者之中，任何兩相或兩相以上的物質共存時，會分別形成氣-液、氣-固、液-液、液-固、固-固，乃至氣-液-固多相界面（interface）。通常所講的固體表面（surface）實際上是指氣-固兩相界面，而看到的液體表面則是氣-液兩相界面。在不同的技術學科（化工、冶金、材料、機械、微電子器件、軍工、生命體系等）中，人們對材料表面的尺度往往有不同的劃分和理解。從結晶學和固體物理學考慮，表面是指晶體三維周期結構同真空之間的過渡區，它包括不具備三維結構特徵的最外原子層。Honig將表面定義為“鍵合在固體最外面的原子層”，Vickerman進一步將其指定為固體外表約1~10個單原子層。
從實用技術學科角度考慮，表面是指結構、物性與體相不相同的整個表面層。它的尺度範圍常常隨著客觀物體表面狀況的不同而改變，也隨著不同技術學科領域研究所感興趣的表面深度不同而給表面以不同尺度範圍的劃分。技術科學為解決特定的工程問題，往往需要獲得的是特定表面厚度內有關結構的信息。如半導體光電器件研究，很重視幾個納米到亞微米尺度材料的表面特性；對於傳統的冶金、機械行業中的表面加工、化工中的腐蝕與保護等，人們關心並要求解決的則是微米級厚度材料的表面問題；至於化學化工中吸附催化及各種沉積薄膜技術中的表面問題，人們研究的則是外來原子或分子同襯底最外層表面原子之間的相互作用，涉及的表面尺度往往在1~10nm。
特點
（1）由於表面上原子配位數減少，所以處於表面上的原子缺少相鄰的原子，會失去三維結構狀態下原子之間作用力的平衡。這樣，解理後那些處於表面上的原子，必然要發生馳豫（relaxation），以尋求新的平衡位置，因而會發生重構（reconstruction）以降低表面的能量。重構是金屬，大多數化合物解理後普遍存在的一種表面現象。
（2）表面原子配位數減少，必然造成處於最頂層的原子存在剩餘價鍵。解理後表面上每個原子有一個懸掛鍵，具有給出或接受一個電子的能力，因此易於同環境 發生相互作用。這就是固體表面在化學上比較活潑，具有特殊發應能力（reactivity）的物理起源。對於不同的材料以及不同的界面，由於自由鍵密度不同，因而它們的化學反應能力也各不相等。這就是不同金屬表面的吸附和催化反應能力有差別的基本原因之一。總之，材料表面的電子結構完全不同於三維相。
性質
對於材料表面，重要的是上述兩個基本特點會引起表面形成新的結構，因而會產生一系列特殊的固體表面物理化學現象，集中表現在以下幾個方面：
（1）表面原子幾何結構不同於體相，出現了重構，形成了新的對稱性，元格結構，發生相變，同時表面上還會產生各種微觀缺陷。對於這種表面結構的測定，已不能採用通常三維體相X射線衍射（XRD）技術，而必須依賴低能電子衍射（LEED），才能獲得二維點陣，元格基矢的大小及相對於基底表面的晶格取向。需要說明的是，在討論三維體相晶體結構時，用元胞（unit cell）這一名詞以表示它們的基元結構；在討論表面結晶學時，則多採用元格（unit mesh）一詞表示表面的基元結構，以示和三維的區別。
（2）表面原子的遷移（migration）和擴散（diffusion）。由於解理後表面原子配位數的減少，相對於體內環境，處於表面上的原子其遷移和擴散運動要容易得多，因為所要克服的能量勢壘較低。原子的遷移擴散必然引起表面原子的重新排列及相關元素的重新分布。對於合金，摻雜金屬氧化物，含添加劑的聚合物及異質多層沉積膜，還會發生表面偏析（segregation）現象。結構將造成在垂直於表面法線方向上某些物種濃度分布的變化，出現局部富集。這樣，必然會改變表面或界面層的化學組成。
（3）由於三維周期勢的突然中斷，在表面上形成了新的電子結構，如懸掛鍵。固體物理學家和半導體科學家通常將其稱為“表面電子態”；固體表面化學家則習慣用“表面化學鍵“來定義表面上那種特殊的電子結構。表面特殊電子結構的存在，是影響表面光，電吸收和發射，以及影響表面或界面電子傳輸特性的關鍵因素。
