표면과학

Surface science
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키나크리돈아소르베이트의 STM 이미지.유기 반도체의 자체 조립 초분자 사슬은 흑연 표면에 흡착됩니다.

표면 과학은 고체-액체 계면, 고체-가스 계면, 고체-진공 계면, 액체-가스 계면을 포함한 두 단계의 계면에서 발생하는 물리적 및 화학적 현상을 연구하는 학문이다.그것은 표면 화학과 표면 [1]물리학 분야를 포함한다.일부 관련 실용적 적용은 지표면 엔지니어링으로 분류된다.이 과학은 이종 촉매 작용, 반도체 장치 제작, 연료 전지, 자가 조립 단분자층 및 접착제와 같은 개념을 포함합니다.표면과학은 계면 [2]및 콜로이드 과학과 밀접한 관련이 있다.계면 화학과 물리학은 둘 다 공통적인 과목이다.방법은 다르다.또한 인터페이스와 콜로이드 과학은 인터페이스의 특수성으로 인해 이종 시스템에서 발생하는 거시적 현상을 연구한다.

역사

표면화학 분야는 폴 사바티에가 수소화에 대해,[3] 프리츠 하버가 하버 과정에 대해 개척한 이종 촉매 작용으로 시작되었다.Irving Langmuir는 또한 이 분야의 창시자 중 한 명이었고, 표면 과학에 관한 과학 저널인 Langmuir는 그의 이름을 가지고 있다.Langmuir 흡착 방정식은 모든 표면 흡착 부위가 흡착 종에 대해 동일한 친화력을 가지며 서로 상호작용하지 않는 단층 흡착을 모델링하는 데 사용됩니다.1974년 게르하르트 에르틀은 [4]LEED라고 불리는 새로운 기술을 사용하여 팔라듐 표면에서 수소의 흡착을 처음으로 설명했다.백금,[5] 니켈,[6][7] 철에[8] 대한 유사한 연구가 뒤따랐다.표면과학의 가장 최근의 발전은 2007년 노벨 화학상 수상자인 게르하르트 에르틀의 표면 화학에서의 진보, 특히 일산화탄소 분자와 백금 표면 사이의 상호작용에 대한 그의 연구를 포함한다.

화학

표면 화학 약 화학 반응의 접점에선 학문이라고 정의될 수 있다.그것은 얽혀 있는 표면 또는 인터페이스의 속성에서 다양한 원하는 효과나 개선을 선택한 요소 또는 기능적 그룹의 설립에 의해 표면의 화학 성분을 수정하는 것을 목표로 하고 표면 공학, 연관되어 있습니다.표면 과학 불균일 촉매 작용, 전기 화학, 지구 화학 분야에 대한 특별한 중요하다.

촉매 작용

가스나 액체 분자의 표면에 접착 흡착으로 알려져 있다.이것은 화학 흡착 또는 물리 흡착에 촉매제 표면에 분자 흡착의 힘의 촉매의 성능(Sabatier 원칙을 보)는 것이 중요하다 발생할 수 있다.하지만 복잡한 구조 가진 실질적인 촉매 입자들에 이 현상들을 공부하기 어렵다.대신에, 백금과 같은 촉매 반응으로 적극적인 물질은 종종 모델의 기폭제로 사용된다의 단결정 표면 윤곽이 분명한..Multi-component 재료 시스템 촉매 반응으로 적극적인 금속 입자들을 지지하고 산화물 사이의 상호 작용을 공부하기 위해; 이러한 단결정 표면에 극도로 마른 영화나 입자의 증가로 생산에 주로 사용된다.[9]

이런 표면의 작문, 구조, 화학적 행동 사이의 관계 분자의 흡착과 승온 이탈, 터널링 현미경, 저 에너지 전자 회절, 오제 전자 분광 법 주사 등 초고진공 기법을 사용하여 연구되고 있다.결과 화학 물질 모델에 또는 새로운 촉매들의 합리적인 디자인으로 사용될 수 있다.반응 장치 또한 표면 과학 측정의atomic-scale 정밀도 때문에 규명될 수 있다.[10]

전기화학

프로세스 응용 잠재력을 통해 또는 액체-액체 고액 인터페이스에 몰리는 전기 화학에 대한 연구입니다.한electrode-electrolyte 인터페이스의 행동은 이온의 액상은 인터페이스를 해당 전기 이중충을 구성할 다음의 분포에 영향을 받는다.Adsorption과 탈착 행사 산산이 가루가 되어 평평한 단결정 적용된 잠재적의 함수, 시간과 용해 조건 분광 법을 사용하여, 탐침 microscopy[11]와 표면 X선 산란으로 표면에서 연구할 수 있다.[12][13]이러한 연구는 계면 프로세스의 직접적인 관측 결과와 사이클릭 볼타 메트리와 같은 전통적인 전기 화학 기술 연결합니다.

지구 화학

철 순환과 토양 오염과 같은 지질 현상은 광물과 그 환경 사이의 경계에 의해 통제된다.광물-용액 계면의 원자 규모 구조와 화학적 특성은 X선 반사율, X선 정재파, X선 흡수 분광법 및 주사 프로브 현미경과 같은 현장 싱크로트론 X선 기술을 사용하여 연구된다.예를 들어 광물 표면에 대한 중금속 또는 액티니드 흡착 연구는 분자 규모의 흡착 세부사항을 밝혀냄으로써 이러한 오염물질이 토양 속을[14] 이동하거나 자연 용해-침착 [15]주기를 방해하는 방법에 대한 보다 정확한 예측을 가능하게 한다.

물리

표면물리학은 대략 인터페이스에서 일어나는 물리적 상호작용에 대한 연구로 정의될 수 있습니다.그것은 표면 화학과 겹친다.표면 물리학에서 조사되는 주제들 중 일부는 마찰, 표면 상태, 표면 확산, 표면 재구성, 표면 포논과 플라스몬, 에피택시, 전자 방출과 터널링, 표면에서의 나노 구조의 자기 조립을 포함한다.표면에서의 프로세스를 조사하는 기술에는 표면 X선 산란, 스캔 프로브 현미경, 표면 강화 라만 분광법 및 X선 광전자 분광법(XPS)이 있습니다.

분석 기법

표면의 연구와 분석에는 물리적 및 화학적 분석 기법이 모두 포함됩니다.

몇 가지 최신 방법이 진공에 노출된 표면의 맨 위 1~10nm를 탐침합니다.여기에는 각도분해광전자분광학(ARPES), X선광전자분광학(XPS), 오거전자분광학(AES), 저에너지전자회절학(LEED), 전자에너지손실분광학(EELS), 열탈리분광학(TPD), 이온분광학(ISS), 2차분광학, 2차분광학 등이 포함된다.재료 분석 방법 목록에 포함된 기타 표면 분석 방법.이러한 기술의 대부분은 연구 대상 표면에서 방출되는 전자 또는 이온의 검출에 의존하기 때문에 진공이 필요합니다.또, 일반적으로 초고진공에서는, 10 파스칼 압력−7 이상의 범위에서는, 소정 시간 동안 시료에 도달하는 분자의 수를 삭감하는 것으로써, 잔류 가스에 의한 표면 오염을 저감 할 필요가 있다.오염물질의 0.1mPa(10torr−6) 분압 및 표준온도에서 표면원자에 대한 오염물질의 일대일 단분자로 표면을 덮는 데 약 1초밖에 걸리지 않으므로 측정에는 훨씬 낮은 압력이 필요합니다.이는 물질의 (수)비 표면적에 대한 규모 추정과 기체의 운동 이론의 충돌 속도 공식에 의해 확인된다.

순수 광학 기술을 사용하여 다양한 조건에서 인터페이스를 연구할 수 있습니다.반사 흡수 적외선, 이중 편파 간섭계, 표면 강화 라만 분광법 및 합 주파수 생성 분광법은 고체-진공뿐만 아니라 고체-액체, 액체-가스 표면 탐사에 사용할 수 있다.다중 파라미터 표면 플라즈몬 공명은 고체-가스, 고체-액체, 액체-가스 표면에서 작동하며 심지어 서브 나노미터 [16]층도 탐지할 수 있습니다.그것은 상호 작용 속도론뿐만 아니라 리포좀[17] 붕괴나 다른 pH의 층의 팽창과 같은 동적 구조적 변화를 조사한다.이중편광 간섭계는 [18]복굴절 박막의 순서와 혼란을 정량화하기 위해 사용됩니다.예를 들어, 이것은 지질 이중층의 형성과 막 단백질과의 상호작용을 연구하기 위해 사용되어 왔다.

소산 모니터링 기능이 있는 Quartz Crystal Microbalance와 같은 음향 기술은 고체-진공, 고체 가스 및 고체-액체 인터페이스의 시간 분해형 측정에 사용됩니다.이 방법은 분자-표면 상호작용뿐만 아니라 애드레이어의 구조적 변화 및 점탄성 특성 분석을 가능하게 한다.

X선 산란 및 분광기법은 표면과 계면의 특성화에도 사용된다.이러한 측정 중 일부는 실험실 X선 소스를 사용하여 수행될 수 있지만, 많은 측정에는 싱크로트론 방사선의 높은 강도와 에너지 조정성이 필요합니다.X선 결정 절단봉(CTR) 및 X선 정재파(XSW)는 표면의 변화를 프로브하고 Ongström 이하의 분해능을 가진 구조를 흡착합니다.표면 확장 X선 흡수 미세 구조(SEXAFS) 측정은 흡착물의 배위 구조와 화학적 상태를 보여준다.방목-인시던스 소각 X선 산란(GISAXS)은 표면에 [19]나노 입자의 크기, 모양 및 방향을 산출합니다.박막의 결정 구조와 질감은 방목-인시던스 X선 회절(GIXD, GIXRD)을 사용하여 조사할 수 있다.

X-선 광전자 분광법(XPS)은 표면 종의 화학적 상태를 측정하고 표면 오염의 존재를 검출하기 위한 표준 도구이다.표면 감도는 운동 에너지가 약 10-1000eV인 광전자를 검출함으로써 달성되며, 이들 광전자는 몇 나노미터의 비탄성 평균 자유 경로를 가진다.이 기술은 보다 현실적인 기체 고체 [20]및 액체 고체 인터페이스를 프로브하기 위해 주변 압력(주변 압력 XPS, AP-XPS)에서 작동하도록 확장되었습니다.싱크로트론 광원에서 하드 X선으로 XPS를 수행하면 몇 keV(하드 X선 광전자 분광법, HAXPES)의 운동 에너지를 가진 광전자가 생성되어 매립된 인터페이스에서 [21]화학 정보에 액세스할 수 있다.

현대의 물리 분석 방법에는 스캔 터널링 현미경법(STM)과 원자력 현미경법(AFM)을 포함한 그것으로부터 파생된 방법군이 포함됩니다.이러한 현미경은 많은 표면의 물리적 구조를 측정할 수 있는 표면 과학자들의 능력과 욕구를 상당히 증가시켰다.예를 들어,[22][23] 계측기가 액세스할 수 있는 시간 척도로 진행되는 경우 실제 공간에서 고체-가스 인터페이스에서 반응을 추적할 수 있습니다.

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레퍼런스

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