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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-気体界面など、 2つの相の界面で発生する物理的および化学的現象の研究です。これには、表面化学と表面物理学の分野が含まれます。 [ 1 ]関連する実用的な応用例のいくつかは、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、界面および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、両方の共通の主題です。方法は異なります。さらに、界面およびコロイド科学は、界面の特殊性により不均一系で発生する巨視的な現象を研究します。
表面化学の分野は、アグネス・ポッケルスという女性から始まりました[ 3 ] [ 4 ]。彼女は、何度も大学の研究室への立ち入りを拒否されたにもかかわらず、表面張力の研究を先駆的に行い、ポッケルス・スライド・トラフ[ 5 ] [ 6 ]、ラングミュア・ブロジェット・トラフ[ 7 ]の基礎となるものを開発しました。ほぼ同時期に、ポール・サバティエが水素化反応で、フリッツ・ハーバーがハーバー・ボッシュ法で、不均一触媒の先駆者となりました[ 8 ]。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あり、表面科学の科学雑誌「ラングミュア」は彼の名にちなんでいます。ラングミュア吸着方程式は、すべての表面吸着サイト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分子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用いてパラジウム表面への水素の吸着を初めて記述した。[ 9 ]続いて、白金[ 10 ]、ニッケル[ 11 ] [ 12 ]、鉄[ 13 ]を用いた同様の研究が行われた。表面科学における最近の発展としては、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との相互作用の研究が挙げられる。
表面化学は、界面における化学反応の研究と大まかに定義できる。これは表面工学と密接に関連しており、表面工学は、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特定の元素や官能基を導入することによって、表面の化学組成を改変することを目的としている。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ある。
気体または液体の分子が表面に付着する現象は吸着として知られています。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あり、触媒表面への分子吸着の強さは触媒の性能に極めて重要です（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。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多成分材料システムが使用され、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。[ 14 ]
これらの表面の組成、構造、および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、および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入力したり、新しい触媒の合理的な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、反応メカニズムも解明できます。[ 15 ]
電気化学は、固体-液体界面または液体-液体界面で印加電位によって駆動されるプロセスを研究する学問です。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影響を受け、電気二重層が形成されます。吸着および脱着現象は、分光法、走査プローブ顕微鏡[ 16 ]、表面X線散乱[ 17 ] [ 18 ]を用いて、印加電位、時間、溶液条件の関数として、原子的に平坦な単結晶表面で研究することができます。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的手法を界面プロセスの直接観察に結びつけています。
鉄の循環や土壌汚染などの地質現象は、鉱物とその環境との界面によって制御されます。鉱物と溶液の界面の原子スケールの構造と化学的性質は、X線反射率、X線定在波、 X線吸収分光法などのその場シンクロトロンX線技術や走査プローブ顕微鏡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は、吸着の分子スケールの詳細を明らかにし、これらの汚染物質が土壌中をどのように移動するか[ 19 ]、または自然の溶解-沈殿サイクルを阻害するかをより正確に予測することを可能にします[ 20 ] 。
表面物理学は、界面で起こる物理的相互作用の研究と大まかに定義できます。表面化学と重なる部分が多くあります。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、表面上で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技術には、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用いられる。
真空に曝された表面 の最上層 1～10 nm をプローブする最新の手法がいくつか存在する。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法 ( LEED )、電子エネルギー損失分光法 ( EELS )、熱脱離分光法(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る。これらの技術の多くは、分析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、真空を必要とする。さらに、一般的に10⁻⁷パスカル以上の超高真空では、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により、残留ガスによる表面汚染を低減する必要がある。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が1対1の単分子層で覆うのにかかる時間はわずか1秒程度なので、測定にははるかに低い圧力で十分です。これは、材料の（数）比表面積の桁違いの推定値と、気体分子運動論からの衝突速度の式によって求められます。
純粋に光学的手法は、さまざまな条件下で界面を研究するために使用できます。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、和周波発生分光法は、固体-真空界面だけでなく、固体-気体界面、固体-液体界面、液体-気体界面のプローブに使用できます。多パラメータ表面プラズモン共鳴は、固体-気体界面、固体-液体界面、液体-気体界面で機能し、サブナノメートル層さえも検出できます。[ 21 ]これは、相互作用速度論だけでなく、リポソーム崩壊[ 22 ]や異なるpHでの層の膨潤などの動的な構造変化もプローブします。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。[ 23 ]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。
水晶振動子マイクロバランス法（散逸モニタリング機能付き）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る。この手法により、分子と表面の相互作用、吸着層の構造変化、粘弾性特性の解析が可能となる。
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と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分解能で表面および吸着物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。 [ 24 ]薄膜の結晶構造とテクスチャは、斜入射X線回折（GIXD、GIXRD）を使用して調べることができます。
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、運動エネルギーが約10～1000 eVの光電子を検出することによって達成され、対応する非弾性平均自由行程はわずか数ナノメートルです。この技術は、より現実的な気体-固体界面および液体-固体界面を調査するために、ほぼ常圧で動作するように拡張されています（常圧XPS、AP-XPS）。[ 25 ]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得られ（硬X線光電子分光法、HAXPES）、埋も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。[ 26 ]
現代の物理分析法には、走査トンネル顕微鏡（STM）や、原子間力顕微鏡（AFM）など、STMから派生した一連の方法が含まれます。これらの顕微鏡法は、表面科学者が多くの表面の物理構造を測定する能力を大幅に向上させました。たとえば、装置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可能になります。[ 27 ] [ 28 ]