1.2. Склад і будова поверхні
Поверхня реального кристала неоднорідна і характеризується складним мікрорельєфом. На рис.1.1 показані різні деталі рельєфу поверхні. Розглянемо модель, що ілюструє характер положення атомів на поверхні кубічної грати.
На такій поверхні атоми можуть знаходитися в наступних положеннях: на повністю заповненому краї - 1; у вершині кута - 2; на цілком заповненій поверхні - 3; на не заповненому краї - 4; у вершині незаповненого кута - 5; на сходинці - 6; на поверхні - 7; вакансії, що виходять на поверхню кристала - 8. Зі всіх положень атома найцікавіше і важливе для практики напівкристалічне положення ½, яке найбільш часто зустрічається при поступовому вирощуванні кристалів і вакуумному нанесення покриттів.
В різних процесах різноманітні розташування відіграють різну роль. Наприклад, розміщення ½ дуже важливе для створення вакансій, розміщення 8 суттєве при різних явищах адсорбції, розміщення 3 – типове розміщення на ідеальній поверхні і т. д.
8
7
½
6
4
5
3
2
1
Рис.1.1 Схема можливих характерних положень атомів і вихід дефектів на поверхню кристала з кубічною граткою (модель Косселя і Странського)
Складний рельєф поверхні кристала призводить до того, що на поверхні є атоми, які відрізняються різними числами сусідів та енергією зв’язку (табл. 1.1).
Сили зв'язку, які діють на атоми з боку сусідніх атомів, дуже залежать від його положення на поверхні кристала. Повна енергія зв'язку для атома або іона, наприклад, для кубічних кристалічних грат Е=6Е1+12Е2, Е1 – енергія зв'язку по поверхні між кубами; Е2 – енергія зв'язку по гранях куба.
Атоми, що знаходяться на поверхні мають меншу енергію зв'язку і залежно від положення атомів її величина зменшується в наступному порядку:
Е(3)>E(1)>E(1/2)>E(2)>E(6)>E(7)>E(4)>E(5)
З схеми поверхні кристала можна підрахувати величину енергії атомів в різних положеннях:
E(1)=4E1+5E2; E(2)=3E1+3E2; E(3)=5E1+8E2; E(4)=E1+3E2; E(5)=E1+2E2;
E(6)=2E1+6E2; E(7)=E1+4E2
Реальна металева поверхня додатково має велике число дефектів інших типів. До них в першу чергу відносяться дефекти, що виникають в місцях виходу дислокацій і слідів меж зерен та вакансій.
1.5. Поверхнева енергія. Поверхневий натяг
А. Поверхнева енергія
Таким чином, для поверхні характерний прояв ряду ознак, у тому числі і її структурне спотворення. У свою чергу характерною особливістю поверхневого спотворення є різка локалізація атомів у поверхні, а також наявність взаємодіючих атомів на поверхні з атомами всередині.
Чим більше відповідність в атомній будові і у взаємному орієнтуванні тіл, що сполучаються, тим менше сили зв'язку у поверхні розділу відрізняються від сил зв'язку в об'ємі.
Зникнення або обмеження нормальних складових сил зв’язку призводить до перерозподілу силової взаємодії між атомами у поверхні розділу.
Частинка кристалічних грат (атом, іон або молекула), розташовані усередині кристала, випробовує сили взаємодії з боку всіх навколишніх її сусідніх частинок і знаходиться в стані рівноваги. Рівнодіюча всіх сил із сторони навколишніх частинок на цю частинку дорівнює нулю.
В інших умовах знаходиться частинка кристала, розташована на його поверхні, оскільки взаємодіючі з нею частинки знаходяться тільки з одного боку – з боку кристала. Для того, щоб при такому несиметричному силовому полі рівнодіюча всіх сил, діючих на поверхневу частинку, дорівнювала нулю, тобто щоб поверхнева частинка знаходилася в рівновазі, частинки кристала поблизу від поверхні повинні розташовуватися інакше, ніж у внутрішніх ділянках кристала. Ці частинки і утворюють поверхневий шар.
Щоб перемістити внутрішню частинку тіла на поверхню твердого тіла потрібно вчинити певну роботу, яка переходить в потенційну енергію поверхневої частинки. З цього виходить, що всі частинки в поверхневому шарі володіють великим запасом потенційної енергії, ніж внутрішні частинки. І на поверхні твердого тіла сконцентровується надлишок енергії. Дамо наступні визначення поверхневої енергії.
1.Надлишок енергії поверхневого шару, віднесений до одиниці площі, називається питомою поверхневою енергією і позначається .
2.Робота, яку необхідно затрачувати на утворення нової поверхні, називається поверхневою енергією.
Розмірність
поверхневої енергії —
