表面科学
キナクリドン吸着体のSTM像。有機半導体の自己組織化超分子鎖がグラファイト表面に吸着している。

表面科学は、固体-液体界面、固体 -気体界面、固体 -真空界面、液体-気体界面を含む2相の界面で起こる物理的および化学的現象の研究分野です。表面化学と表面物理学の分野が含まれます。 [ 1 ]関連するいくつかの実用的なアプリケーションは、表面工学に分類されます。この科学は、不均一触媒、半導体デバイスの製造、燃料電池、自己組織化単分子膜、接着剤などの概念を包含しています。表面科学は、界面科学およびコロイド科学と密接に関連しています。[ 2 ] [ 3 ]界面化学と界面物理学は、両方に共通の主題です。方法は異なります。さらに、界面科学とコロイド科学は、界面の特殊性により 不均一系で起こるマクロな現象を研究します。

歴史

表面化学の分野は、ポール・サバティエの水素化とフリッツ・ハーバーのハーバー過程による不均一触媒の開拓から始まりました。[ 4 ]アーヴィング・ラングミュアもこの分野の創始者の一人で、表面科学の科学誌であるラングミュアに彼の名前が付けられています。ラングミュアの吸着式は、すべての表面吸着部位が吸着種に対して同じ親和性を持ち、互いに相互作用しない単層吸着をモデル化するために使用されます。ゲルハルト・エルトルは1974年にLEEDと呼ばれる新しい技術を使用して、パラジウム表面への水素の吸着を初めて説明しました。[ 5 ]同様の研究が白金、[ 6 ]ニッケル、[ 7 ] [ 8 ]鉄[ 9 ]で続きました。表面科学における最近の進歩としては、2007 年のノーベル化学賞受賞者であるゲルハルト エルトル氏による表面化学の進歩、具体的には一酸化炭素分子と白金表面の相互作用に関する研究が挙げられます。

化学

表面化学は、大まかに言えば界面における化学反応の研究と定義できます。表面化学は、選択された元素や官能基を表面や界面に導入することで、表面の化学組成を変化させ、表面や界面の特性に様々な望ましい効果や改善をもたらすことを目的とする表面工学と密接に関連しています。表面科学は、不均一触媒、電気化学、地球化学の分野において特に重要です。

触媒

気体または液体の分子が表面に付着することを吸着という。これは化学吸着または物理吸着のいずれかによるものであり、触媒表面への分子吸着の強さは触媒の性能にとって極めて重要である（サバティエの原理を参照）。しかし、複雑な構造を持つ実際の触媒粒子でこれらの現象を研究することは困難である。その代わりに、白金などの触媒活性材料の明確に定義された単結晶表面がモデル触媒としてよく用いられる。多成分材料系は、触媒活性金属粒子と支持酸化物との相互作用を研究するために使用される。これらは、単結晶表面上に超薄膜または粒子を成長させることによって生成される。[ 10 ]

これらの表面の組成、構造、化学的挙動の関係は、分子の吸着および昇温脱離、走査トンネル顕微鏡、低エネルギー電子回折、オージェ電子分光法などの超高真空技術を用いて研究されています。得られた結果は化学モデルに組み込んだり、新しい触媒の合理的設計に利用したりできます。また、表面科学測定の原子スケール精度により、反応機構も解明できます。[ 11 ]

電気化学

電気化学は、固体-液体または液体-液体界面に印加電位を介したプロセスの研究分野です。電極-電解質界面の挙動は、界面に隣接する液相中のイオン分布によって電気二重層を形成し、影響を受けます。[ 12 ]原子レベルで平坦な単結晶表面における吸着および脱着現象は、分光法、走査型プローブ顕微鏡[ 13 ]、表面X線散乱[ 14 ]を用いて、印加電位、時間、溶液条件の関数として研究することができます。[ 15 ]これらの研究は、サイクリックボルタンメトリーなどの従来の電気化学手法と界面プロセスの直接観察を結び付けています。

地球化学

鉄循環や土壌汚染といった地質学的現象は、鉱物とその環境との界面によって制御されています。鉱物と溶液の界面における原子レベルの構造と化学的性質は、X線反射率、X線定在波、X線吸収分光法、走査型プローブ顕微鏡といったシンクロトロンX線を用いたその場 観察技術によって研究されています。例えば、鉱物表面への重金属やアクチニドの吸着に関する研究では、吸着の分子レベルの詳細が明らかになり、これらの汚染物質が土壌中をどのように移動するか[ 16 ]や、自然の溶解・沈殿サイクルをどのように阻害するか[ 17 ]をより正確に予測することが可能になります。

物理

表面物理学は、大まかに言えば、界面で生じる物理的相互作用の研究分野です。表面化学と重複する領域があります。表面物理学で研究されるトピックには、摩擦、表面状態、表面拡散、表面再構成、表面フォノンとプラズモン、エピタキシー、電子の放出とトンネル効果、スピントロニクス、表面におけるナノ構造の自己組織化などがあります。表面におけるプロセスを研究するための手法には、表面X線散乱、走査プローブ顕微鏡、表面増強ラマン分光法、X線光電子分光法などがあります。

分析技術

表面の研究と分析には、物理​​的分析技術と化学的分析技術の両方が関係します。

いくつかの最新手法では、真空にさらされた表面の最表面 1～10 nm を調べます。これらには、角度分解光電子分光法(ARPES)、X 線光電子分光法(XPS) 、オージェ電子分光法 (AES)、低エネルギー電子回折(LEED)、電子エネルギー損失分光法( EELS )、昇温脱離分光法(TPD)、イオン散乱分光法(ISS)、二次イオン質量分析法、二重偏光干渉法、および材料分析手法のリストに含まれるその他の表面分析法が含まれます。これらの手法の多くは、調査対象の表面から放出される電子またはイオンの検出に依存するため、真空が必要です。さらに、一般に10 −7パスカル以上の圧力範囲の超高真空では、一定期間にサンプルに到達する分子の数を減らすことによって、残留ガスによる表面汚染を減らす必要があります。汚染物質の分圧が0.1 mPa（10 −6 torr）で標準温度の場合、汚染物質と表面原子の1対1の単分子層で表面を覆うのにわずか1秒程度しかかからないため、測定にははるかに低い圧力が必要です。これは、物質の（数）比表面積の1桁の推定値と、気体の運動論に基づく衝突速度の式によって求められます。

純粋に光学的な手法を使用して、さまざまな条件下での界面を調べることができます。反射吸収赤外分光法、二重偏光干渉法、表面増強ラマン分光法、和周波発生分光法を使用して、固体‐真空だけでなく、固体‐気体、固体‐液体、液体‐気体表面を調べることができます。マルチパラメータ表面プラズモン共鳴は、固体‐気体、固体‐液体、液体‐気体表面で機能し、サブナノメートル層も検出できます。[ 18 ]これは、相互作用速度論だけでなく、リポソームの崩壊[ 19 ]や異なる pH での層の膨張などの動的構造変化も調べます。二重偏光干渉法は、複屈折薄膜の秩序と崩壊を定量化するために使用されます。[ 20 ]これは、例えば、脂質二重層の形成と膜タンパク質との相互作用の研究に使用されています。

散逸モニタリング機能を備えた水晶振動子マイクロバランスなどの音響技術は、固体-真空、固体-気体、固体-液体界面の時間分解測定に用いられます。この手法により、分子-表面相互作用だけでなく、吸着層の構造変化や粘弾性特性の解析も可能です。

X線散乱および分光法も表面および界面の特性評価に使用されます。これらの測定の一部は実験室のX線源を使用して実行できますが、多くはシンクロトロン放射の高強度およびエネルギー調整可能性を必要とします。X線結晶切断ロッド（CTR）およびX線定在波（XSW）測定では、サブオングストロームの分解能で表面および吸着構造の変化を調べます。表面拡張X線吸収微細構造（SEXAFS）測定では、吸着質の配位構造と化学状態が明らかになります。斜入射小角X線散乱（GISAXS）では、表面上のナノ粒子のサイズ、形状、および配向が明らかになります。[ 21 ]薄膜の結晶構造とテクスチャは、斜入射X線回折（GIXD、GIXRD）を使用して調査できます。

X線光電子分光法（XPS）は、表面種の化学状態を測定し、表面汚染の有無を検出するための標準的なツールです。表面感度は、わずか数ナノメートルの非弾性平均自由行程に対応する約10～1000 eVの運動エネルギーを持つ光電子を検出することで実現されます。この技術は、より現実的な気体-固体界面および液体-固体界面を調べるために、ほぼ大気圧で動作するように拡張されています（大気圧XPS、AP-XPS）。[ 22 ]シンクロトロン光源で硬X線を用いてXPSを実行すると、数keVの運動エネルギーを持つ光電子が生成されます（硬X線光電子分光法、HAXPES）。これにより、埋め込まれた界面からの化学情報にアクセスできるようになります。[ 23 ]

現代の物理的分析手法には、走査トンネル顕微鏡（STM）と、その派生である原子間力顕微鏡（AFM）などの手法群が含まれます。これらの顕微鏡法は、表面科学者が多くの表面の物理的構造を測定する能力を著しく向上させました。例えば、固体と気体の界面における反応が、装置が測定可能な時間スケールで進行する場合、実空間で追跡することが可能になります。[ 24 ] [ 25 ]

参照

参考文献

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