Surface Science ist das Studium physikalischer und chemischer Phänomene, die an der Schnittstelle zweier Phasen auftreten, einschließlich Fest-Flüssig-Grenzflächen, Fest-Gas-Grenzflächen, Fest-Vakuum-Grenzflächen und Flüssig-Gas-Grenzflächen. Es umfasst die Gebiete der Oberflächenchemie und der Oberflächenphysik . [1] Einige verwandte praktische Anwendungen werden als Oberflächentechnik klassifiziert. Die Wissenschaft umfasst Konzepte wie die heterogene Katalyse, die Herstellung von Halbleiterbauelementen, Brennstoffzellen, selbstorganisierte Monoschichten und Klebstoffe. Die Oberflächenwissenschaft ist eng mit der Grenzflächen- und Kolloidwissenschaft verbunden. [2] Grenzflächenchemie und Physik sind für beide Themen häufig. Die Methoden sind unterschiedlich. Außerdem erforschen die Schnittstellen- und Kolloidwissenschaften makroskopische Phänomene, die in heterogenen Systemen aufgrund von Besonderheiten der Grenzflächen auftreten.
Geschichte [ edit ]
Das Gebiet der Oberflächenchemie begann mit der heterogenen Katalyse, die von Paul Sabatier über die Hydrierung und Fritz Haber über den Haber-Prozess entwickelt wurde. [3] Irving Langmuir war auch einer von den Gründern dieses Feldes und der wissenschaftlichen Zeitschrift für Oberflächenwissenschaften, Langmuir trägt seinen Namen. Die Langmuir-Adsorptionsgleichung wird verwendet, um die Monoschicht-Adsorption zu modellieren, bei der alle Oberflächenadsorptionsstellen die gleiche Affinität für die adsorbierende Spezies haben und nicht miteinander interagieren. Gerhard Ertl beschrieb 1974 erstmals die Adsorption von Wasserstoff auf einer Palladiumoberfläche mit einer neuartigen Technik namens LEED. [4] Ähnliche Studien mit Platin [5] Nickel [6][7] und Eisen [8] folgten. Zu den jüngsten Entwicklungen in den Oberflächenwissenschaften zählt insbesondere der Nobelpreis des Chemie-Preisträgers Gerhard Ertl aus dem Jahr 2007, insbesondere in Bezug auf die Oberflächenchemie
seine Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Kohlenmonoxidmolekülen und Platinoberflächen.
Oberflächenchemie [ edit ]
Oberflächenchemie kann grob als das Studium chemischer Reaktionen an Grenzflächen definiert werden. Es ist eng mit der Oberflächentechnik verbunden, deren Ziel es ist, die chemische Zusammensetzung einer Oberfläche durch den Einbau ausgewählter Elemente oder funktioneller Gruppen zu modifizieren, die verschiedene gewünschte Effekte oder Verbesserungen der Eigenschaften der Oberfläche oder Grenzfläche bewirken. Die Oberflächenwissenschaft ist für die Bereiche der heterogenen Katalyse, Elektrochemie und Geochemie von besonderer Bedeutung.
Katalyse [ edit ]
Die Adhäsion von Gas- oder Flüssigkeitsmolekülen an der Oberfläche wird als Adsorption bezeichnet. Dies kann entweder auf Chemisorption oder Physisorption zurückzuführen sein, und die Stärke der molekularen Adsorption an einer Katalysatoroberfläche ist von entscheidender Bedeutung für die Leistung des Katalysators (siehe Sabatier-Prinzip). Es ist jedoch schwierig, diese Phänomene in realen Katalysatorteilchen zu untersuchen, die komplexe Strukturen aufweisen. Stattdessen werden häufig gut definierte Einkristalloberflächen aus katalytisch aktiven Materialien wie Platin als Modellkatalysatoren verwendet. Mehrkomponentensysteme werden zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen katalytisch aktiven Metallpartikeln und tragenden Oxiden verwendet. Diese werden durch Aufwachsen ultradünner Filme oder Partikel auf einer Einkristalloberfläche erzeugt. [9]
Die Beziehungen zwischen Zusammensetzung, Struktur und chemischem Verhalten dieser Oberflächen werden mit Ultrahochvakuumverfahren untersucht, einschließlich Adsorption und temperaturprogrammierter Desorption von Moleküle, Rastertunnelmikroskopie, Elektronenbeugung mit niedriger Energie und Auger-Elektronenspektroskopie. Die Ergebnisse können in chemische Modelle eingespeist oder zur rationellen Auslegung neuer Katalysatoren verwendet werden. Reaktionsmechanismen können auch durch die atomare Genauigkeit von oberflächenwissenschaftlichen Messungen geklärt werden. [10]
Elektrochemie edit
Elektrochemie ist die Untersuchung von Prozessen, die durch ein angelegtes Potential bei a geleitet werden Fest-Flüssig- oder Flüssig-Flüssig-Grenzfläche. Das Verhalten einer Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche wird durch die Verteilung von Ionen in der flüssigen Phase neben der Grenzfläche beeinflusst, die die elektrische Doppelschicht bildet. Adsorptions- und Desorptionsereignisse können an atomar ebenen Einkristalloberflächen als Funktion des angelegten Potentials, der Zeit und der Lösungsbedingungen unter Verwendung von Spektroskopie, Rastersondenmikroskopie [11] und Oberflächenröntgenstreuung untersucht werden. [12][13] Diese Studien verbinden traditionelle elektrochemische Techniken wie die zyklische Voltammetrie, um Beobachtungen von Grenzflächenprozessen zu lenken.
Geochemistry [ edit ]
Geologische Phänomene wie Eisenzyklus und Bodenkontamination werden durch die Grenzflächen zwischen Mineralien und ihrer Umgebung gesteuert. Die atomare Struktur und die chemischen Eigenschaften von Grenzflächen zwischen Mineralien und Lösung werden unter Verwendung von in situ Synchrotron-Röntgentechniken wie Röntgenreflektivität, Röntgen-Stehwellen und Röntgenabsorptionsspektroskopie untersucht als Rastersondenmikroskopie. Untersuchungen der Adsorption von Schwermetallen oder Actiniden auf mineralischen Oberflächen zeigen zum Beispiel Details der Adsorption auf molekularer Ebene und ermöglichen genauere Vorhersagen darüber, wie diese Verunreinigungen durch den Boden wandern [14] oder natürliche Auflösungs-Niederschlag-Zyklen stören. Oberflächenphysik edit ] Oberflächenphysik kann grob als Untersuchung physikalischer Wechselwirkungen definiert werden, die an Grenzflächen auftreten. Es überschneidet sich mit der Oberflächenchemie. Die Oberflächenphysik untersucht unter anderem Reibung, Oberflächenzustände, Oberflächendiffusion, Oberflächenrekonstruktion, Oberflächenphononen und -plasmonen, Epitaxie, Emission und Tunneln von Elektronen, Spintronik und die Selbstorganisation von Nanostrukturen auf Oberflächen. Verfahren zur Untersuchung des Prozesses an Oberflächen umfassen Oberflächen-Röntgenstreuung, Rastersondenmikroskopie, oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS). In einer begrenzten Flüssigkeit, die durch geometrische Beschränkungen auf einer nanoskopischen Skala definiert wird, spüren die meisten Moleküle einige Oberflächeneffekte , was dazu führen kann, dass physikalische Eigenschaften stark von denen der Massenflüssigkeit abweichen. Die Untersuchung und Analyse von Oberflächen umfasst sowohl physikalische als auch chemische Analysetechniken. Mehrere moderne Methoden untersuchen die obersten 1–10 nm von vakuumexponierten Oberflächen. Dazu gehören die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, die Auger-Elektronenspektroskopie, die Niedrigenergieelektronenbeugung, die Elektronenenergieverlustspektroskopie, die thermische Desorptionsspektroskopie, die Ionenstreuungsspektroskopie, die Sekundärionen-Massenspektrometrie, die Dual-Polarisations-Interferometrie und andere in der Liste enthaltene Verfahren Materialanalyse-Methoden. Viele dieser Techniken erfordern ein Vakuum, da sie auf der Detektion von Elektronen oder Ionen beruhen, die von der untersuchten Oberfläche emittiert werden. Darüber hinaus ist es im allgemeinen im Ultrahochvakuum im Bereich von 10 -7 Pascal oder besser erforderlich, die Oberflächenverunreinigung durch Restgas zu reduzieren, indem die Anzahl der Moleküle, die die Probe über eine gegebene Zeit erreichen, verringert wird Zeitraum. Bei 0,1 mPa (10 -6 torr) Partialdruck einer Verunreinigung und Standardtemperatur dauert es nur eine Sekunde, um eine Oberfläche mit einer Eins-zu-Eins-Monolage der Verunreinigung an Oberflächenatomen zu bedecken Für die Messungen sind so viel niedrigere Drücke erforderlich. Dies wird durch eine Schätzung der Größenordnung für die (Anzahl) spezifische Oberfläche von Materialien und die Formel der Aufprallrate aus der kinetischen Theorie der Gase ermittelt. Rein optische Techniken können verwendet werden, um Schnittstellen unter den verschiedensten Bedingungen zu untersuchen. Reflexionsabsorptions-Infrarot-, duale Polarisationsinterferometrie, oberflächenverstärkte Raman- und Summenfrequenz-Erzeugungsspektroskopien können verwendet werden, um Festvakuum- sowie Festgas-, Fest-Flüssig- und Flüssiggas-Oberflächen zu untersuchen. Multi-Parametric Surface Plasmon Resonance funktioniert in Festgas-, Flüssiggas- und Flüssiggasoberflächen und kann sogar Schichten im Sub-Nanometer-Bereich detektieren. [16] Es untersucht sowohl die Wechselwirkungskinetik als auch dynamische Strukturänderungen wie den Zusammenbruch von Liposomen [17] oder Schwellung von Schichten bei unterschiedlichem pH-Wert. Die Dual-Polarisations-Interferometrie wird verwendet, um die Ordnung und Störung in doppelbrechenden dünnen Filmen zu quantifizieren. [18] Dies wurde beispielsweise zur Untersuchung der Bildung von Lipiddoppelschichten und ihrer Wechselwirkung mit Membranproteinen verwendet. Röntgenstreuungs- und Spektroskopietechniken werden auch zur Charakterisierung von Oberflächen und Grenzflächen eingesetzt. Während einige dieser Messungen unter Verwendung von Labor-Röntgenquellen durchgeführt werden können, erfordern viele die hohe Intensität und Energieanpassbarkeit von Synchrotronstrahlung. Röntgenstrahl-Verkürzungsstäbchen (CTR) und Röntgen-Stehwellen (XSW) -Messungen messen Änderungen der Oberflächen- und Adsorbatstrukturen mit Sub-Angström-Auflösung. SEXAFS-Messungen (Surface-Extended X-Ray Absorption Fine Structure) zeigen die Koordinationsstruktur und den chemischen Zustand von Adsorbaten. Kleinwinkelröntgenstreuung mit streifendem Einfall (GISAXS) liefert die Größe, Form und Orientierung von Nanopartikeln auf Oberflächen. [19] Die Kristallstruktur und -struktur von dünnen Filmen kann unter Verwendung von Röntgenstreuung mit streifendem Einfall (GIXD) untersucht werden. GIXRD). Die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) ist ein Standardwerkzeug zur Messung der chemischen Zustände von Oberflächenspezies und zum Nachweis der Anwesenheit von Oberflächenkontaminationen. Die Oberflächenempfindlichkeit wird durch den Nachweis von Photoelektronen mit kinetischen Energien von ca. 10-1000 eV erreicht, die entsprechende inelastische mittlere freie Wege von nur wenigen Nanometern aufweisen. Diese Technik wurde erweitert, um bei Umgebungsdruck (Umgebungsdruck XPS, AP-XPS) zu arbeiten, um realistischere Gas-Fest- und Flüssig-Fest-Grenzflächen zu untersuchen. [20] Die Durchführung von XPS mit harten Röntgenstrahlen an Synchrotron-Lichtquellen liefert Photoelektronen mit kinetischen Energien von mehreren keV (harte Röntgenphotoelektronenspektroskopie, HAXPES), die den Zugang zu chemischen Informationen von vergrabenen Grenzflächen ermöglichen. [21] Moderne physikalische Analyseverfahren umfassen die Rastertunnelmikroskopie (STM). und eine Familie von Methoden stammte von ihr ab, einschließlich der Rasterkraftmikroskopie. Diese Mikroskopien haben die Fähigkeit und den Wunsch von Oberflächenwissenschaftlern, die physikalische Struktur vieler Oberflächen zu messen, erheblich erhöht. Sie ermöglichen es beispielsweise, Reaktionen an der Fest-Gas-Grenzfläche im realen Raum zu verfolgen, wenn diese auf einer für das Instrument zugänglichen Zeitskala ablaufen. [22][23] Analysetechniken [ edit ]
Siehe auch [ edit [19659046] Referenzen [ edit ]
Externe Links [ edit ]
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