表面科学——这一切是如何开始的,从实验的角度来看

在本系列表面科学教育两部分,你将这一切是如何开始的 和指导通过关键事件和重要方面进化早期成熟的地区。

系列将介绍主题衔接等表面物理和表面化学,研究范式转变的静态表面系统动态的的探索,以及发展理论的重要性,没有它的进化不可能发生。它还将指导你通过不同的表面科学中使用的分析方法 领域,和深入挖掘的一些地区已经出现,如生物材料和纳米技术。

表面科学的进化,第1部分

我走进期间表面科学领域 博士学位研究从固态物理背景。表面物理、表面和它的同伴 化学,构成表面科学的起源。表面工程也常常包括在定义中。表面科学已经发展和扩大,今天影响和对科学和技术的许多领域,例如,材料和界面科学、生物材料、生物技术和生物医学、纳米技术和清洁技术。

表面的表面物理学的一个分支科学

在表面科学,探索各种现象在不同阶段的交集。真空的阶段可以是任何,气体,液体和固体,这两个阶段之间的界面感兴趣的焦点所在。覆盖现象的物理和化学特性,表面科学领域包括物理分区表面和表面化学。

当时我的 博士学位,我可以称之为“纯表面物理学的母亲”,即单晶表面在一个超高真空。这个分区的表面科学处理这样的问题

• 新表面看起来像什么?
• 什么是创建两个新的表面所需要的能量?
• 表面与内部的晶面un-cleaved固体?还是原子转移到新的位置形成一个结构中没有大量的单晶?
• 表面晶体平行平面之间的距离是一样的在批量或收缩或扩张吗?
• 什么样的缺陷存在,步骤,扭结,空缺吗?
• 他们的浓度是什么和如何才能最小化?”。

理想状态下表面物理是固体表面由年初裂开一个坚实的身体劈成两半,从而使两个表面,没有任何干扰周围的气体或液体。换句话说,乳沟必须发生在一个完美的,超高真空。更常见的方式,在实践中,创建清洁表面挂载一个水晶,切割和抛光暴露低指数晶面,在真空室中,注入一个超高真空,然后删除任何表面污垢,如氧化物或污染,通过组合重复离子溅射和退火,直到一个秩序井然的单晶表面暴露出来。

在这个时代的黎明,简单的金属和半导体,单一元素表面在焦点。先后,几十年来,更复杂的表面处理,如合金、氧化物、碳化物 和聚合物。同样的先后,气体和液体之间的相互作用接近,类似的问题还问这些ad-atoms ad-molecules清洁表面。

推动半导体技术的进步和微电子

纯物理表面有提高在1950年代末和60年代从半导体技术的发展和微电子。诺贝尔物理学奖授予在这两个领域。1956年,诺贝尔奖去了巴丁,布拉顿 和肖克利晶体管在贝尔电话实验室,并在2000年共享诺贝尔奖被授予基尔比集成电路(IC)。

集成电路及其活跃的元素,包括晶体管和二极管,强烈依赖于理解和处理清洁表面,特别是硅和硅氧化物,但技术还需要导体材料准备以薄膜的形式和绝缘氧化层的控制增长,特别是二氧化硅,对大多数集成电路加工步骤,例如mosfet。这些需求导致超高真空(特高压)技术的快速发展,能够准备和研究清洁表面,和许多新的分析方法来研究表面。LEED的新方法。LEED是电子衍射的基本原理,在诺贝尔物理学奖被授予早在1937年。其他方法是XPS测定(ESCA),西格巴恩在1981年获得诺贝尔物理学奖,AES,西姆斯和后来STM, Binnig和Rohrer, IBM研究实验室,在瑞士,AFM授予共享1986年诺贝尔物理学奖。

有越来越需要生产薄膜所需的属性ICs还在材料科学,例如切割(硬质合金)工具、摩擦学、耐蚀性和光学设备。薄膜的成核和生长表面蒸发和溅射和其他沉积方法研究和开发,包括仪器的发展。不足为奇的是,贝尔电话和IBM研究实验室在表面科学主要研究实验室,在随后的几十年。

两条平行的铁轨,表面物理和表面化学

早期的纯表面物理与情况 在早期的表面化学,表面科学的其他分支。在表面化学,分子的存在,在气体或液体阶段,这可能与表面中部和固有的成分从一开始。一个著名的例子是多相催化初,一个活跃的领域已经开始20^th世纪,几乎和科学。著名的名字是Sabatier接受分享1912年诺贝尔化学奖的加氢反应,哈伯,他在1918年获得了诺贝尔化学奖对氨合成和朗谬尔,他的作品在1932年被授予诺贝尔化学奖,一般对表面科学的贡献。在现代的诺贝尔奖在2007年G Ertl主要表面科学和广泛的贡献也应该提到。许多重要的工业过程是司机了 世纪长发展,如氨合成,如化肥、石油和石油化工流程相关细化和燃料生产。其他重要的表面化学分支是胶体科学,这是强由接口力量;表面活性剂、单层电影等液体和自组织层硫醇在黄金。

而经典的表面化学路径和表面科学的表面物理路径非常独立,有一些但弱相互作用,逐渐从1970年代开始改变。一个引人注目的早期异常的图片必须“单独的路径” 提到是朗谬尔和他的同事们的工作和追随者。诺贝尔演讲仍然是今天快乐阅读,解决早期表面物理和表面科学之间的桥接。表面科学成熟和纯表面的知识增长和新方法开发、表面物理表面开始解决一个更大的多样性和更复杂的表面 系统中,和包括gas-surface和液面系统,就像那些古典表面化学(图1)。与此同时,表面化学开始采用理论方法 和概念的表面物理、表面物理和表面化学的界限消失了。

图1所示。表面科学的s曲线演化,从早期成熟的区域,和科学领域出现了。

弥合差距和收敛表面物理和表面化学的踪迹

这种相互之间的相互作用引起的表面物理和表面化学路径加速在表面科学领域作为一个整体,最终影响了其他领域的科学和技术。正如上面提到的,最好的例子之一是多相催化,所谓的两个概念压力的差距和材料缺口,有时也被称为结构的差距长期困扰和挑战研发社区,创造了两个 怀疑他们相互的价值,寻找它们之间的桥梁。差距被描述为对比(i)特高压压力的研究多相催化表面物理(,说,10⁶到10⁹托)和实际工业系统1 - 100 - ds的大气层,和(2)之间的理想单晶催化剂表面模型系统和实际催化系统组成的纳米粒子大小的暴露或被非晶的不同方面。特高压研究10吗⁶托单晶真的告诉我们什么情况在氧化物纳米颗粒支持6个月至9个数量级高压力?今天弥合这些差距先后关闭是由于研究压力和催化剂纳米颗粒的可控制备,运用现代纳米技术方法和研究催化过程即使在单独的纳米颗粒。

表面科学的s曲线演化早期成熟的地区

其他“缺口”,首先确定为空白,然后弥合在类似的方式存在的,例如,电化学、腐蚀科学和摩擦学。这廖表面科学进化的路径和新的应用程序可以被描述为许多S-curves,就像任何重要的科学领域的历史发展(图1)。描述了一个妖冶的最初发展缓慢的特点制定的科学问题,制备和分析方法的发展,包括理论,使更多和更详细的研究,其次是一个连续的加速度时的方法和问题公式化,然后成熟的领域越来越深的理解。

新的科学领域出现

为基本表面科学妖冶的发达和成熟到可以称之为科学的平台,新领域如生物表面科学和纳米科学、图1、起飞和表面的理解和利用方法。同时,越来越多的困难和复杂的表面系统已经解决,如复合表面,合金,氧化物,聚合物,和复杂的分子,碳氢化合物和其他有机分子,甚至生物分子和液体表面。

上述知识的进化不可能发生没有同样重要理论的进步,在实验领域。在上面的简单回顾,我还刻意避免处理表面过程的动力学和动力学,催化反应的反应动力学和如分子散射的详细动态表面。人能说我限制“静态表面系统”的描述,不随时间而变化。动力学和动力学,包括表面的时间演化系统,覆盖着这篇文章。