Поверхность твёрдого тела.

Между характеристиками поверхности и объёма твёрдого тела имеются весьма существенные различия, обусловленные нарушением симметрии структуры объёма. Из-за этого поверхность рассматривается как «обрыв» объёма, с её неравновесным состоянием и стремлением к равновесию путём адсорбции газов и паров, окисления и образования других твёрдых плёнок, диффузии в приповерхностный слой адсорбированных элементов. На эти процессы оказывают влияние внешние факторы: химический состав и температура окружающей среды, различные излучения и поля.

В объёме твёрдого тела любой атом или ион испытывает со всех сторон симметричное действие сил окружающих атомов. Поверхностный атом имеет соседние атомы только с одной стороны и это создаёт структурную асимметрию поверхности. Частично она компенсируется искажением кристаллической решётки, но неравновесная поверхностная зона может иметь глубину 5…6 атомных слоёв.

В этой зоне амплитуда тепловых колебаний атомов может в 1,5…2,0 раза превышать амплитуду колебаний атомов, расположенных в объёме тела. При этом с поверхности происходит экзоэлектронная эмиссия так, что прилегающий к ней подповерхностный слой приобретает положительный заряд, а сама поверхность заряжается отрицательно, то есть у поверхности формируется двойной электрический слой.

Неоднородности поверхности.

Физическая неоднородность любой поверхности связана с тем, что на ней скапливаются, перемещаясь изнутри, дефекты кристаллической решётки: точечные – вакансии, межузельные атомы и линейные – краевые и винтовые дислокации. При напылении покрытий их взаимодействие с поверхностью начинается не её дефектах, где атомы, находясь в неравновесном состоянии, имеют избыток свободной энергии и повышенную химическую активность.

Тепловое движение атомов придаёт кристаллической поверхности шероховатость, обусловленную ступенчатым характером расположения атомов. При этом в разных ступенчатых положениях атомы обладают различной свободной энергией.

По указанным причинам в структуре поверхностного слоя рассматриваются следующие зоны: равновесная основа, переходный слой, ориентированные измельчённые кристаллы, неориентированные измельчённые кристаллы, оксидные плёнки с адсорбированными газами. Толщина такого слоя составляет около 50 мкм, концентрация дефектов в нём может достигать больших значений, особенно после очистки и активации поверхности.

Химическая неоднородность поверхности обусловлена неизбежным наличием на ней чужеродных атомов – химических дефектов. Они способствуют повышению химической активности поверхности.

Избыток энергии атомов на поверхности является поверхностной энергией тела или поверхностным натяжением. Её величина определяется суммой поверхностных энергий всех граней кристаллов и зависит от строения кристаллической решётки, характеризуемой несколькими основными параметрами. Она может быть рассчитана как энергия связи атомов, или энергия атомизации E_s , которая необходима для разделения твёрдого тела на нейтральные атомы, и принимается равной теплоте сублимации ∆H_s.

Для кристалла с решёткой типа ГЦК, содержащего N атомов, при его раскалывании с образованием двух поверхностей, на каждый атом приходится 3/2 разорванных атомных связей. Это требует затраты следующей энергии: .

Если на поверхности раскола кристалла имеется N₀ атомов на площади 1 см², то поверхностная энергия определяется выражением: .

При расплавлении твёрдого тела его поверхностная энергия снижается согласно приближённому соотношению σ≈0,9σ_тв.. Величина этой энергии определяет смачиваемость и адгезию материалов, особенно в жидкофазных процессах, влияет на зародышеобразование и рост покрытий при вакуумном напылении, на фазовые переходы в химических реакциях и при кристаллизации.