表面科学

表面科学は、固体と液体の界面、固体と気体の界面、固体と真空の界面、液体と気体の界面など、 2つの相の界面で起こる物理的および化学的現象の研究です。表面科学には、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。この科学には、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、接着剤などの概念が含まれます。表面科学は、界面科学やコロイド科学と密接に関連しています。^[2]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。

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法による不均一触媒から始まりました。^[3]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、表面科学の科学雑誌であるラングミュアには彼の名前が付けられています。ラングミュアの吸着方程式は、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。^[4]同様の研究が白金、^{[5] 、}ニッケル、^{[6] [7]}、鉄^[8]で続きました。表面科学の最新の進歩としては、2007年のノーベル化学賞受賞者であるゲルハルト・エルトルの表面化学における進歩、特に一酸化炭素分子と白金表面の相互作用の研究があります。

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、選択された元素または官能基を組み込むことによって表面の化学組成を変更し、表面または界面の特性にさまざま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、および地球化学の分野で特に重要です。

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います。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、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す（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す。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使用されます。多成分材料システムは、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ます。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ます。^[9]

これらの表面の組成、構造、化学的挙動の関係は、分子の吸着と昇温脱離、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使用して研究されています。結果は化学モデルに取り込んだり、新しい触媒の合理的設計に使用したりできます。表面科学測定の原子スケールの精度により、反応メカニズムも明らかにすることができます。^[10]

電気化学は、固体と液体、または液体と液体の界面で印加電位によって駆動されるプロセスの研究です。電極と電解質の界面の挙動は、電気二重層を形成する界面に隣接する液相中のイオンの分布によって影響を受けます。吸着および脱着イベントは、分光法、走査型プローブ顕微鏡^[11]、および表面X線散乱[12]を使用して、印加電位、時間、および溶液状態の関数として、原子レベルで平坦な単結晶表面で研究できます。^{[13]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技術を界面プロセスの直接観察に結び付けています。

鉄循環や土壌汚染などの地質学的現象は、鉱物とその環境との界面によって制御されています。鉱物と溶液の界面の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、走査プローブ顕微鏡などのその場 シンクロトロンX線技術を使用して研究されています。たとえば、鉱物表面への重金属やアクチニドの吸着の研究では、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をどのように移動するか^[14]や自然の溶解-沈殿サイクルを乱す方法をより正確に予測できるようになります。 ^[15]

表面物理学は、大まかに言えば、界面で起こる物理的相互作用の研究と定義できます。表面化学と重なります。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、表面上のナノ構造の自己組織化などがあります。表面でのプロセスを調査する手法には、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。

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必要です。

いくつかの最新手法では、真空にさらされた表面の最上部 1～10 nm を調べます。これには、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、一定時間内にサンプルに到達する分子の数を減らすことで、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、表面を汚染物質と表面原子の 1 対 1 の単層で覆うのに 1 秒程度しかかからないため、測定にはそれよりはるかに低い圧力が必要です。これは、物質の (数)比表面積の桁推定値と、気体の運動論による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研究することができます。反射吸収赤外線、二重偏光干渉法、表面増強ラマン分光法、および和周波発生分光法は、固体-真空だけでなく、固体-気体、固体-液体、および液体-気体の表面を調べるために使用できます。マルチパラメトリック表面プラズモン共鳴は、固体-気体、固体-液体、液体-気体の表面で機能し、サブナノメートル層も検出できます。^{[16]これは、相互作用の速度論だけでなく、リポソームの崩壊[17]}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破壊を定量化するために使用されます。^[18]これは、たとえば、脂質二重層の形成と膜タンパク質との相互作用を研究するため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使用されます。この方法により、分子-表面相互作用、吸着層の構造変化、粘弾性特性の分析が可能になります。  

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）測定は、吸着物の配位構造と化学状態を明らかにします。斜入射小角X線散乱（GISAXS）は、表面上のナノ粒子のサイズ、形状、および配向をもたらします。 ^[19]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、表面汚染の存在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ました (大気圧 XPS、AP-XPS)。^[20]シンクロトロン光源で硬 X 線を使用して 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 (硬 X 線光電子分光法、HAXPES)、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。^[21]

現代の物理的分析法には、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）などの一連の方法があります。これらの顕微鏡は、多くの表面の物理的構造を測定する表面科学者の能力と欲求を大幅に高めました。たとえば、機器でアクセス可能な時間スケールで進行する場合、固体と気体の界面での反応を実空間で追跡することができます。^{[22] [23]}

• Kolasinski, Kurt W. (2012-04-30). 表面科学: 触媒とナノサイエンスの基礎 (第 3 版). Wiley. ISBN 978-1119990352。
• アタード、ゲイリー、バーンズ、コリン（1998年1月）。表面。オックスフォード化学入門書。ISBN 978-0198556862。

ウィキメディア・コモンズには、表面科学に関連するメディアがあります。

• 「ラム・ラオの材料と表面科学」、ベガ・サイエンス・トラストのビデオ
• 表面化学の発見
• 表面計測ガイド