液态金属的金属键润湿特性探究

镓基液态金属与金属基体的界面相互作用可强烈改变接触角、吸附能、界面张力和接触区的成分组成。特别是镓基液态金属与金属间化合物层的界面存在着许多神秘而奇特的润湿现象至今尚未完全清晰。笔者实验室Cui等发现［44］，镓基液态金属液滴可以快速地在被CuGa2表面包覆铜基体上实现铺展润湿。该润湿现象的机理是由于基体表面的金属间化合物CuGa2提供了稳定的金属键，诱导了液态金属润湿行为。基于密度泛函理论，Cui等建立了金属键润湿模型，进行了第一性原理密度泛函理论计算。计算结果表明，CuGa2（010）的功函数约为4.47 eV，与纯液态Ga（约为4.32 eV）的功函数相当。这表明Ga与CuGa2板之间的价电子很容易发生交换，从而形成较强的价电子杂化和金属键。

图4.19　在310 K下，纯Ga液滴的静态接触角［44］

a.NaOH溶液中的铜基体；b.HCl溶液中的铜基体；c.NaOH溶液中的CuGa2基体；d.HCl溶液中的CuGa2基体。

如图4.19所示，在碱性溶液中，Ga液滴在纯铜基体上表现为不润湿行为［44］。在HCl溶液中，由于界面处形成了Cu-Ga金属间化合物，Ga液滴在铜基底上呈现部分润湿行为。在该研究中，纯Ga液滴在碱性或酸性溶液中放置于CuGa2层表面后，可迅速转变为铺展润湿状态。图4.19c显示了在CuGa2表面上的Ga液滴的相应接触角，测定的接触角分别为15.65°和14.08°。我们将这种铺展润湿现象命名为金属键润湿。(www.xing528.com)

如图4.20a所示，Ga原子在CuGa2（010）面上总态密度显示出两个明显的Ga1-Ga2杂化峰［44］，分别在+4.3 eV和+4.5 eV左右，这与液态Ga的功函数是一致的。计算结果表明，液态Ga中的Ga1原子与CuGa2（010）中的Ga2原子的价电子杂化形成了金属键。在+2.8 eV和+4.0 eV左右的杂化峰是Ga1-Cu1和Ga1-Cu2之间的金属键相互作用形成的。这些金属键导致了液态金属Ga在CuGa2表面的铺展润湿。

图4.20　Ga/CuGa2金属物质特性［44］

a.CuGa（2010）面上Ga原子的总态密度［44］；b.Ga/CuGa（2010）原子吸附模型；c.Ga/CuGa2金属键润湿模型原理。