材料表面与界面(2).ppt

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1、总结：1、固体润湿沾湿功浸湿功也称为粘附张力A铺展系数2、润湿方程6.4固体表面张力、表面能测定6.4.1温度外推法测定固体熔融状态下不同温度的的表面张力，外推到室温，得固体表面张力用于固体表面张力估算，误差较大6.4.2晶体劈裂法Orowan公式T拉开厚度为x薄片的拉力E弹性模量5.4.3 溶解热法原理：固体溶解时，表面破坏，表面能转化为溶解热的一部分。同等重量不同细度固体的溶解热之差即固体的表面能。6.5低表面能表面张力估算假设只有色散力在界面上起作用如果用烷烃测试接触角考虑极性成分6.5.2 Owens-Wendt-Kaelle法6.6 固体表面吸附6.6.1 Langmuir单分子吸附

2、模型假设：1）表面均匀，表面上各个位置吸附性能相同 2）吸附热与表面覆盖度无关，即：吸附分子之间无相互作用；3）单分子层吸附表面吸附速度：P吸附平衡时气体的压力吸附气体表面覆盖分数K吸附速度常数表面脱附速度：E吸附热K0脱附速度常数吸附脱附达到平衡时：Langmuir吸附等温式吸附常数求出Vm和b两种气体吸附6.6.2 BET多分子吸附模型（Brunauer，Emmett，Teller）补充假设：1）可进行多分子层吸附 2）第一层的与以后各层不同，第二层起各吸附热都相同 3）吸附与脱附只发生在直接暴露在气相的表面上S0S1S2S3BET公式求出Vm和C6.6.3 溶液中Langmuir单分子吸

3、附模型假设：1）表面均匀，表面上各个位置吸附性能相同 2）吸附热与表面覆盖度无关，即：吸附分子之间无相互作用；3）单分子层吸附表面吸附速度：C吸附平衡时溶液中溶质的浓度吸附溶质表面覆盖分数表面脱附速度：（1-C）溶剂浓度吸附脱附达到平衡时：吸附平衡常数第七章 表面表征接触角测定仪、XPS、Auger、UPS、SIMSS、IR、AFM、SEM表面张力接触角表面压表面组成表面形貌7.1 接触角测定仪q7.1.1 固体自由能测定1）Owens方法2）Zisman方法3）Schultz方法测试高表面能材料7.1.2 悬滴法测液体表面张力7.2 X射线光电子能谱X-ray Photoelectron S

4、pectroscopyXPSESCAElectron Spectroscopy for Chemical Analysis基本功能：表面元素分析测试厚度：金属 0.52nm 氧化物 nm 有机物和聚合物 10nm测试元素：检测元素 LiU 7.2.1 测试原理1）光电效应电子摆脱原子核束缚所需要的能量电子脱离样品后的动能功函元素中的电子变为真空中的静止电子所需要的能量特定原子、特定轨道上的电子的结合能为定值2）原子内层电子的稳定性1）内层电子的结合能在一个窄的范围内基本是一个常数，具有原子的特征性质。2）随着原子化学环境的不同，仍有小的可以测量的变化。原子上电子分为：1、价电子；2、内层电子决

5、定体系化学反应决定体系化学反应3）电子自由程固体中电子的自由程最大10nm4）结合能只有表面上的电子才可以溢出C1sO1sN1sAg3dFe2pAl2pZn3pCu2pNi3dEb285 531 399368/371706/7207389932/952852/870 电子结合能位移：电子结合能位移：原子的一个内壳层电子的结原子的一个内壳层电子的结合能受核内电荷和核外电荷分布的的影响。任何引合能受核内电荷和核外电荷分布的的影响。任何引起这些电荷分布发生变化的因素都有可能使原子内起这些电荷分布发生变化的因素都有可能使原子内壳层电子的结合能产生变化。壳层电子的结合能产生变化。化学位移：由于原子处于不

6、同的化学环境化学位移：由于原子处于不同的化学环境(如价如价态变化或与电负性不同的原子结合等态变化或与电负性不同的原子结合等)发生改变，发生改变，所引起的结合能位移。所引起的结合能位移。物理位移：物理位移：由于物理因素由于物理因素(热效应、表面电荷、热效应、表面电荷、凝聚态的固态效应等凝聚态的固态效应等)而引起的结合能的位移。而引起的结合能的位移。3）电子结合能的化学位移有机C化学位移经验公式：1、通过量子化学方法计算2、已知结果的样品做为标准测试取代基聚丙烯酸2850.061.513.03289.48实测289.17.2.2 XPS镨图7.2.3 定量分析定量分析 I I nfAnfA 式中：

7、式中：I I 峰强度峰强度 n n 每每cmcm2 2的原子数的原子数 f f X X射线通量（光子射线通量（光子cm2cm2s s）光电截面积（光电截面积（cm2cm2）与与X X射线和出射光电子的夹角有关因子射线和出射光电子的夹角有关因子 光电产额（光电子光电产额（光电子光子）光子）A A 采样面积（采样面积（cm2cm2）T T 检测系数检测系数 光电子的平均自由程（光电子的平均自由程（cmcm）令 S=A 为灵敏度因子 已知已知Si,测得测得I7.2.4 X光电子能谱仪1）X光源Al k 1486eVMg k 1253eV双阳极 Al/Mg单色器 Al2）分析室（高真空室）210-10

8、mbar 清洁样品表面 减少空气分子与电子的碰撞3）能量分析器R2R1V7.2.5 绝缘材料测定1）表面电荷表面电子逸出后，绝缘样品表面带正电荷，形成额外电场。使XPS镨线结合能偏离正常位置。2）化学位移标定Au4f7/2 84.0eVAg3d5/2 368.27eV标样内标C1s 285.0eV3）表面电荷补偿 低能电子枪 发射电子，将内标补偿到标准位置 电子离子枪 可同时发射电子和离子，将内标补偿到标准位置7.2.6 X光电子能谱仪功能 表面元素组成的定性、定量分析 表面元素键合状态的定性、定量分析 表面元素的分布 表面元素分布图 样品元素深度分布7.2.7 深度分布分析材料不同深度上元素及键合态的分析1）离子刻蚀（离子贱射）采用Ar轰击的方法剥蚀样品表面优点：可以得到任意深度的信息缺点：样品化学态改变 不同材料刻蚀速度不同2）改变电子逸出角度eX-raylX-raye优点：非破坏性，不改变样品的状态缺点：分析深度有限 角度旋转后，分析面积变化3）角分辨XPSX-rayeee7.2.8 成像XPS镨图给出分析区域的平均信息，成像给出元素分布信息。SiAu7.2.9 应用1）表面组成金属铁ClOFeFe3O4炭纳米管（深圳纳米港）催化剂2）材料表面基团炭纳米管3）材料界面相互作用Al2O3TiXeTiO24）分子间相互作用