材料表面

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）。在化工、冶金、新材料、微電子器件、軍工技術及生命體系中，我們都會發現這類共同的相界面問題的存在，並往往成為這些學科研究前沿的重點之一。相界面已成為許多技術學科面臨的共同的研究對象。另一方面，表面和界面問題的研究與解決，對推動有關技術學科的進步產生了巨大的影響，對開展基礎理論研究也起到積極的推動作用。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。 ^[1] 

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着客觀物體表面狀況的不同而改變，也隨不同技術學科領域研究時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 ^[2]  。

表面上原子配位與晶體內部的各個原子的配位相比是不完全的，表面上的原子只有一邊有近鄰原子，因為它的能量較高，它們之間的結合也比內部要弱，當外來原子沉積到表面原子上時就會釋放能量，產生表面吸附現象。

實際晶體表面也不是一個完整平面，按照表面的平台-台階-扭折模型(如圖1)，晶體表面的微觀形貌可看為一沿二維方向擴展的面缺陷，它是影響表面特性的一個重要因素 ^[3]  。

這一理論是研究晶體生長過程得來的，並得到實驗證明。對工程中大多數的材料，暴露於空氣中的表面會出現吸附氧或水蒸氣的薄層(幾個原子層)，甚至產生化學反應形成氧化物或氫氧化物；通常氧化物的厚度有時可達5-10mm左右，長成的氧化物可以是非晶態的或晶態的。

大多數材料都要經過機械加工，這就導致材料表面在幾個微米或十幾個微米的表層中具有高位錯密度和強烈的點陣畸變區 ^[3]  。

材料的表面與其內部本體，無論在結構上還是在化學組成上都有明顯的差別，這是因為材料內部原子受到周圍原子的相互作用是相同的，而處在材料表面的原子所受到的力場卻是不平衡的，因此產生了表面能。對於不同組分構成的複合材料，組分與組分之間可形成界面，某一組也可能富集在材料的表面上。即使是單組分的材料，由於內部存在的缺陷(如位錯等)或者晶態的不同形成晶界，也可能在內部產生界面。材料的表面界面對材料整體性能具有決定性的影響，材料的腐蝕、老化、硬化、破壞、印刷、塗膜、黏結、複合等，無不與材料的表界面密切有關。因此研究材料的表界面現象具有重要的意義 ^[4]  。