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表面科学

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有机半导体喹吖啶酮的超分子链吸附在石墨表面上进行自组装的扫描隧道显微镜影像。
有机半导体喹吖啶酮的超分子吸附石墨表面上进行自组装扫描隧道显微镜影像。

表面科学surface science)主要研究的是发生在两种界面英语Interface (matter)(例如固-液界面、固-气界面、固-真空界面和液-气界面)上的物理化学现象,其子领域包括表面化学表面物理[1]。表面科学的相关实际应用常被称为表面工程surface engineering),其中的概念包括多相催化半导体器件制造燃料电池自组装单分子黏合剂等。表面科学和界面与胶体科学英语Interface and colloid science密切相关[2]而界面化学和物理是双方的共同课题。此外,界面与胶体科学也研究发生在异质系统中由于界面的奇异性(peculiarities)所引发的宏观现象。[来源请求]

历史

表面化学领域开始于由保罗·萨巴捷氢化上开创的多相催化弗里茨·哈勃哈柏法的开发[3]欧文·朗缪尔也是这个领域的创始人之一,表面科学的科学杂志《朗缪尔》以他的名字命名。 朗缪尔吸附方程英语Langmuir adsorption model用于模拟单层吸附,其中所有表面吸附位点对吸附物种具有相同的亲和力。格哈德·埃特尔在1974年首次描述了使用称为低能电子衍射(LEED)的新技术在表面上吸附[4]。随后是对[5][6][7],和[8]的类似研究。表面科学方面的最新发展包括2007年诺贝尔化学奖得主格哈德·埃特尔在表面化学领域的进步,特别是他对一氧化碳分子和表面之间相互作用的研究。

表面化学

表面化学可以粗略地定义为在界面处化学反应的研究。它与表面工程密切相关,其目的在于通过引入选择的元素或官能团来改变表面的化学组成,所述元素或官能团在表面或界面的性质中产生各种期望的效果或改进。表面科学对多相催化电化学地球化学领域特别重要。

催化

电化学

地球化学

表面物理

表面物理学可以粗略地定义为在界面处发生的物理变化的研究。它与表面化学重叠。通过表面物理研究的一些事物包括表面状态表面扩散英语Surface diffusion表面重建英语表面重建,表面声子等离子体(Plasmon),外延表面增强拉曼散射,电子的发射和隧穿自旋电子学和纳米结构在表面上的自组装。在由纳米级尺度上的几何约束限定的约束液体英语Confined liquid(Confined liquid)中,大多数分子感测到一些表面效应,这可能导致物理性质严重偏离本体液体(Bulk liquid)的物理性质。

分析技术

表面的研究和分析涉及物理的和化学的分析技术。

几种现代方法探测暴露于真空的最上面1-10nm的表面。这些包括X射线光电子能谱法俄歇电子能谱法低能电子衍射法(LEED),电子能量损失谱法,热脱附谱英语Thermal desorption spectroscopy法,离子散射谱法,二次离子质谱法,双极化干涉英语Dual-polarization interferometry法,以及其他材料分析方法英语List of materials analysis methods。许多这些技术需要真空,因为它们依赖于从所研究的表面发射的电子离子的检测。

纯光学技术可用于在各种条件下研究界面。

X射线散射和光谱技术也用于表征表面和界面。

X射线光电子能谱学(XPS)是用于测量表面物质的化学状态和用于检测表面污染的存在的标准工具。

现代物理分析方法包括扫描隧道显微镜(STM)和从其衍生的一系列方法,包括原子力显微镜(AFM)。

参阅

参考资料

  1. ^ Prutton, Martin. Introduction to Surface Physics. Oxford University Press. 1994. ISBN 0-19-853476-0. 
  2. ^ Luklema, J. Fundamentals of Interface and Colloid Science 1–5. Academic Press. 1995–2005. 
  3. ^ Wennerström, Håkan; Lidin, Sven. Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2007 Chemical Processes on Solid Surfaces (pdf). [2016-11-12]. (原始内容存档 (PDF)于2016-03-03). 
  4. ^ 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. 
  5. ^ 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. 
  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. 
  7. ^ 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. 
  8. ^ 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. 

外部链接

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