Наука о поверхности

редактировать
Для журнала см. Surface Science (журнал). СТМ- изображение адсорбата хинакридона. В самоорганизующихся супрамолекулярных цепях органического полупроводника адсорбируются на графитовую поверхность.

Наука о поверхности - это изучение физических и химических явлений, которые происходят на границе раздела двух фаз, включая границы раздела твердое тело - жидкость, границы раздела твердое тело - газ, границы раздела твердое тело - вакуум и границы раздела жидкость - газ. Она включает в себя поля поверхностной химии и физики поверхности. Некоторые связанные практические применения классифицируются как инженерия поверхности. Наука охватывает такие концепции, как гетерогенный катализ, изготовление полупроводниковых устройств, топливные элементы, самоорганизующиеся монослои и клеи. Наука о поверхности тесно связана с наукой о границах раздела и коллоидной наукой. Межфазная химия и физика - общие предметы для обоих. Методы разные. Кроме того, интерфейс и коллоидная наука изучают макроскопические явления, которые возникают в гетерогенных системах из-за особенностей интерфейсов.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 История
  • 2 Химия
    • 2.1 Катализ
    • 2.2 Электрохимия
    • 2.3 Геохимия
  • 3 Физика
  • 4 Методы анализа
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дальнейшее чтение
  • 8 Внешние ссылки

История

Область химии поверхности началась с гетерогенного катализа, впервые примененного Полом Сабатье в процессе гидрирования и Фрицем Габером в процессе Габера. Ирвинг Ленгмюр также был одним из основателей этой области, и научный журнал по науке о поверхности Langmuir носит его имя. Уравнение адсорбции Ленгмюра используется для моделирования однослойной адсорбции, где все участки поверхностной адсорбции имеют одинаковое сродство к адсорбирующим частицам и не взаимодействуют друг с другом. Герхард Эртль в 1974 году впервые описал адсорбцию водорода на поверхности палладия с использованием нового метода, получившего название LEED. Затем последовали аналогичные исследования с платиной, никелем и железом. Новые разработки в области поверхностных наук включают в 2007 Нобелевскую премию по химии победитель Эртль продвижений «s в химии поверхности, в частности его исследование взаимодействия между молекулами окиси углерода и платиновых поверхностей.

Химия

Химию поверхности можно приблизительно определить как изучение химических реакций на границах раздела. Это тесно связано с инженерией поверхности, которая направлена ​​на изменение химического состава поверхности путем включения выбранных элементов или функциональных групп, которые производят различные желаемые эффекты или улучшения свойств поверхности или интерфейса. Наука о поверхности имеет особое значение для областей гетерогенного катализа, электрохимии и геохимии.

Катализ

Адгезия молекул газа или жидкости к поверхности называется адсорбцией. Это может быть связано либо с хемосорбцией, либо с физической сорбцией, и сила молекулярной адсорбции на поверхности катализатора критически важна для его характеристик (см. Принцип Сабатье ). Однако эти явления трудно исследовать на реальных частицах катализатора, которые имеют сложную структуру. Вместо этого в качестве модельных катализаторов часто используются четко определенные поверхности монокристаллов каталитически активных материалов, таких как платина. Системы многокомпонентных материалов используются для изучения взаимодействия между каталитически активными металлическими частицами и поддерживающими оксидами; они производятся путем выращивания ультратонких пленок или частиц на поверхности монокристалла.

Отношения между составом, структурой и химическим поведением этих поверхностей исследованы с использованием сверхвысокого вакуума техники, в том числе адсорбции и температурно-программируемой десорбции молекул, сканирующей туннельной микроскопии, низкой энергии дифракции электронов и оже - электронной спектроскопии. Результаты могут быть введены в химические модели или использованы для рациональной разработки новых катализаторов. Механизмы реакции также можно прояснить благодаря точности измерений поверхности в атомном масштабе.

Электрохимия

Электрохимия - это изучение процессов, управляемых приложенным потенциалом на границе твердое тело-жидкость или жидкость-жидкость. На поведение границы раздела электрод-электролит влияет распределение ионов в жидкой фазе рядом с границей раздела, образующей двойной электрический слой. Адсорбцию и десорбцию можно изучать на атомно-плоских монокристаллических поверхностях в зависимости от приложенного потенциала, времени и условий раствора с помощью спектроскопии, сканирующей зондовой микроскопии и поверхностного рассеяния рентгеновских лучей. Эти исследования связывают традиционные электрохимические методы, такие как циклическая вольтамперометрия, с прямыми наблюдениями за межфазными процессами.

Геохимия

Геологические явления, такие как круговорот железа и загрязнение почвы, контролируются границами раздела между минералами и окружающей их средой. Структура атомного масштаба и химические свойства интерфейсов минерального раствора исследованы с помощью In Situ синхротронное методов рентгеновской таких как коэффициента отражения рентгеновских лучей, рентгеновских стоячих волн, и рентгеновской абсорбционной спектроскопии, а также сканирующей зондовой микроскопии. Например, исследования адсорбции тяжелых металлов или актинидов на минеральных поверхностях выявляют детали адсорбции в молекулярном масштабе, что позволяет более точно предсказать, как эти загрязнители перемещаются через почвы или нарушают естественные циклы растворения-осаждения.

Физика

Физику поверхности можно приблизительно определить как изучение физических взаимодействий, происходящих на границах раздела. Это перекликается с химией поверхности. Некоторые из тем, изучаемых в физике поверхности, включают трение, поверхностные состояния, поверхностную диффузию, реконструкцию поверхности, поверхностные фононы и плазмоны, эпитаксию, эмиссию и туннелирование электронов, спинтронику и самосборку наноструктур на поверхностях. Методы исследования процессов на поверхности включают поверхностное рассеяние рентгеновских лучей, сканирующую зондовую микроскопию, рамановскую спектроскопию с усилением поверхности и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS).

Методы анализа

Изучение и анализ поверхностей включает в себя как физические, так и химические методы анализа.

Некоторые современные методы исследуют самые верхние 1–10 нм поверхности, подвергнутые воздействию вакуума. К ним относятся фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), электронная оже-спектроскопия (AES), дифракция низкоэнергетических электронов (LEED), спектроскопия потерь энергии электронов (EELS), термодесорбционная спектроскопия (TPD)., спектроскопия рассеяния ионов (ISS), масс-спектрометрия вторичных ионов, двухполяризационная интерферометрия и другие методы анализа поверхности, включенные в перечень методов анализа материалов. Многие из этих методов требуют вакуума, поскольку они основаны на обнаружении электронов или ионов, испускаемых с исследуемой поверхности. Более того, в общем случае сверхвысокий вакуум, в диапазоне давления 10 -7 паскаль или лучше, необходимо уменьшить поверхностное загрязнение остаточным газом за счет уменьшения количества молекул, достигающих образца в течение заданного периода времени. При парциальном давлении загрязняющего вещества 0,1 мПа (10 -6 торр) и стандартной температуре для покрытия поверхности монослоем загрязнения один к одному по отношению к поверхностным атомам требуется всего порядка 1 секунды, поэтому давление гораздо ниже. необходимо для измерений. Это определяется оценкой по порядку величины для (числа) удельной поверхности материалов и формулы скорости удара из кинетической теории газов.

Чисто оптические методы могут использоваться для изучения интерфейсов в самых разных условиях. Инфракрасное отражение-поглощение, интерферометрия с двойной поляризацией, спектроскопия комбинационного рассеяния с усилением поверхности и спектроскопия генерации суммарной частоты могут использоваться для исследования поверхностей твердое тело – вакуум, а также твердое тело – газ, твердое тело – жидкость и жидкость – газ. Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс работает на поверхностях твердое тело – газ, твердое тело – жидкость, жидкость – газ и может обнаруживать даже субнанометровые слои. Он исследует кинетику взаимодействия, а также динамические структурные изменения, такие как коллапс липосом или набухание слоев при различных значениях pH. Интерферометрия с двойной поляризацией используется для количественной оценки порядка и разрыва в двулучепреломляющих тонких пленках. Это было использовано, например, для изучения образования липидных бислоев и их взаимодействия с мембранными белками.

Для характеристики поверхностей и границ раздела также используются методы рассеяния рентгеновских лучей и спектроскопии. Хотя некоторые из этих измерений могут быть выполнены с использованием лабораторных источников рентгеновского излучения, для многих требуется высокая интенсивность и возможность перестройки энергии синхротронного излучения. Рентгеновские стержни усечения кристаллов (CTR) и рентгеновские стоячие волны (XSW) измеряют изменения в поверхностных структурах и структурах адсорбата с разрешением ниже Ангстрема. Измерения тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей с протяженной поверхностью (SEXAFS) выявляют координационную структуру и химическое состояние адсорбатов. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей при скользящем падении (GISAXS) позволяет определить размер, форму и ориентацию наночастиц на поверхности. Кристаллическая структура и текстура тонких пленок могут быть исследованы с помощью скользящего падения рентгеновской дифракции (GIXD, GIXRD).

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) - это стандартный инструмент для измерения химического состояния поверхностных частиц и обнаружения наличия поверхностных загрязнений. Поверхностная чувствительность достигается за счет обнаружения фотоэлектронов с кинетической энергией около 10-1000 эВ, которые имеют соответствующую неупругую длину свободного пробега всего в несколько нанометров. Этот метод был расширен для работы при давлении, близком к окружающему (XPS при атмосферном давлении, AP-XPS), чтобы исследовать более реалистичные границы раздела газ-твердое тело и жидкость-твердое тело. Выполнение XPS с жестким рентгеновским излучением на источниках синхротронного света дает фотоэлектроны с кинетической энергией в несколько кэВ (жесткая рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, HAXPES), что позволяет получить доступ к химической информации из скрытых границ раздела.

Современные методы физического анализа включают сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и семейство методов, происходящих от нее, включая атомно-силовую микроскопию (АСМ). Эти микроскопии значительно расширили возможности и желание исследователей поверхности измерять физическую структуру многих поверхностей. Например, они позволяют отслеживать реакции на границе твердое тело – газ в реальном пространстве, если они протекают в масштабе времени, доступном для прибора.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2024-01-09 05:36:34
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте