表面科學
表面科學（surface science）主要研究的是發生在兩種相的界面（例如固-液界面、固-氣界面、固-真空界面和液-氣界面）上的物理和化學現象，其子領域包括表面化學和表面物理[1]。表面科學的相關實際應用常被稱為表面工程（surface engineering），其中的概念包括多相催化、半導體器件製造、燃料電池、自組裝單分子膜、黏合劑等。表面科學和界面與膠體科學密切相關[2]；而界面化學和物理是雙方的共同課題。此外，界面與膠體科學也研究發生在異質系統中由於界面的奇異性（peculiarities）所引發的宏觀現象。[來源請求]
歷史
[編輯]表面化學領域開始於由保羅·薩巴捷在氫化上開創的多相催化和弗里茨·哈伯對哈柏法的開發[3]。歐文·朗繆爾也是這個領域的創始人之一，表面科學的科學雜誌《朗繆爾》以他的名字命名。 朗繆爾吸附方程用於模擬單層吸附，其中所有表面吸附位點對吸附物種具有相同的親和力。格哈德·埃特爾在1974年首次描述了使用稱為低能電子衍射（LEED）的新技術在鈀表面上吸附氫[4]。隨後是對鉑[5]，鎳[6][7]，和鐵[8]的類似研究。表面科學方面的最新發展包括2007年諾貝爾化學獎得主格哈德·埃特爾在表面化學領域的進步，特別是他對一氧化碳分子和鉑表面之間相互作用的研究。
表面化學
[編輯]表面化學可以粗略地定義為在界面處化學反應的研究。它與表面工程密切相關，其目的在於通過引入選擇的元素或官能團來改變表面的化學組成，所述元素或官能團在表面或界面的性質中產生各種期望的效果或改進。表面科學對多相催化，電化學和地球化學領域特別重要。
催化
[編輯]氣體或液體分子對表面的黏附稱為吸附。 這可能是由於化學吸附或物理吸附造成的，而催化劑表面分子吸附的強度對於催化劑的性能至關重要（參見薩巴捷原則）。 然而，在具有複雜結構的實際催化劑顆粒中研究這些現像是很困難的。 相反，催化活性材料（例如鉑）的明確單晶表面通常被用作模型催化劑。 多組分材料(Multi-component materials)系統用於研究催化活性金屬顆粒和支撐氧化物之間的相互作用； 這些是透過在單晶表面上生長超薄膜或顆粒而產生的[9]。
電化學
[編輯]地球化學
[編輯]表面物理
[編輯]表面物理學可以粗略地定義為在界面處發生的物理變化的研究。它與表面化學重疊。通過表面物理研究的一些事物包括表面狀態，表面擴散，表面重建，表面聲子和電漿子（Plasmon），外延和表面增強拉曼散射，電子的發射和隧穿，自旋電子學和納米結構在表面上的自組裝。在由納米級尺度上的幾何約束限定的約束液體（Confined liquid）中，大多數分子感測到一些表面效應，這可能導致物理性質嚴重偏離本體液體（Bulk liquid）的物理性質。
分析技術
[編輯]表面的研究和分析涉及物理的和化學的分析技術。
幾種現代方法探測暴露於真空的最上面1-10nm的表面。這些包括X射線光電子能譜法，俄歇電子能譜法，低能電子衍射法（LEED），電子能量損失譜法，熱脫附譜法，離子散射譜法，二次離子質譜法，雙極化干涉法，以及其他材料分析方法。許多這些技術需要真空，因為它們依賴於從所研究的表面發射的電子或離子的檢測。
純光學技術可用於在各種條件下研究界面。
X射線散射和光譜技術也用於表徵表面和界面。
X射線光電子能譜學（XPS）是用於測量表面物質的化學狀態和用於檢測表面污染的存在的標準工具。
現代物理分析方法包括掃描隧道顯微鏡（STM）和從其衍生的一系列方法，包括原子力顯微鏡（AFM）。
參閱
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ Prutton, Martin. Introduction to Surface Physics. Oxford University Press. 1994. ISBN 0-19-853476-0.
- ^ Luklema, J. Fundamentals of Interface and Colloid Science 1–5. Academic Press. 1995–2005.
- ^ Wennerström, Håkan; Lidin, Sven. Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2007 Chemical Processes on Solid Surfaces (pdf). [2016-11-12]. （原始內容存檔 (PDF)於2016-03-03）.
- ^ Conrad, H.; Ertl, G.; Latta, E.E. Adsorption of hydrogen on palladium single crystal surfaces. Surface Science. February 1974, 41 (2): 435–446. Bibcode:1974SurSc..41..435C. doi:10.1016/0039-6028(74)90060-0.
- ^ Christmann, K.; Ertl, G.; Pignet, T. Adsorption of hydrogen on a Pt(111) surface. Surface Science. February 1976, 54 (2): 365–392. Bibcode:1976SurSc..54..365C. doi:10.1016/0039-6028(76)90232-6.
- ^ Christmann, K.; Schober, O.; Ertl, G.; Neumann, M. Adsorption of hydrogen on nickel single crystal surfaces. The Journal of Chemical Physics. June 1, 1974, 60 (11): 4528–4540. Bibcode:1974JChPh..60.4528C. doi:10.1063/1.1680935.
- ^ Christmann, K.; Behm, R. J.; Ertl, G.; Van Hove, M. A.; Weinberg, W. H. Chemisorption geometry of hydrogen on Ni(111): Order and disorder. The Journal of Chemical Physics. May 1, 1979, 70 (9): 4168–4184. Bibcode:1979JChPh..70.4168C. doi:10.1063/1.438041.
- ^ Imbihl, R.; Behm, R. J.; Christmann, K.; Ertl, G.; Matsushima, T. Phase transitions of a two-dimensional chemisorbed system: H on Fe(110). Surface Science. May 2, 1982, 117: 257–266. Bibcode:1982SurSc.117..257I. doi:10.1016/0039-6028(82)90506-4.
- ^ Fischer-Wolfarth, Jan-Henrik; Farmer, Jason A.; Flores-Camacho, J. Manuel; Genest, Alexander; Yudanov, Ilya V.; Rösch, Notker; Campbell, Charles T.; Schauermann, Swetlana; Freund, Hans-Joachim. Particle-size dependent heats of adsorption of CO on supported Pd nanoparticles as measured with a single-crystal microcalorimeter. Physical Review B. 2010, 81 (24): 241416. Bibcode:2010PhRvB..81x1416F. doi:10.1103/PhysRevB.81.241416. hdl:11858/00-001M-0000-0011-29F8-F
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