1 / 44

Fizykochemia Powierzchni

Fizykochemia Powierzchni. Rafał J. Wróbel. Podstawowe pojęcia. Fizykochemia powierzchni – jej przedmiotem badań jest struktura, właściwości fizyczne i chemiczne oraz zjawiska występujące na powierzchni graniczących ze sobą faz, zwanej także granicą międzyfazową lub granicą faz .

tamyra
Download Presentation

Fizykochemia Powierzchni

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Fizykochemia Powierzchni Rafał J. Wróbel

  2. Podstawowe pojęcia • Fizykochemia powierzchni – jej przedmiotem badań jest struktura, właściwości fizyczne i chemiczne oraz zjawiska występujące na powierzchni graniczących ze sobą faz, zwanej także granicą międzyfazową lub granicą faz. • Granica faz - jest obszarem, którego grubość wynosi od 0,5 do kilku nm. Wiele procesów fizykochemicznych, chemicznych i biochemicznych, takich jak np. rozpraszanie światła, adsorpcja, efekt fotoelektryczny, heterogeniczna kataliza reakcji chemicznych oraz różne procesy w organizmach żywych zachodzi na granicy faz. Edward T. Dutkiewicz, Fizykochemia powierzchni, WNT, Warszawa 1998

  3. Schematicview of a three-way-catalystfrom Ref. [1] Pt pellet on Al2O3 Transmission electron micrograph Adapted from Ref. [2] Car exhaust catalyst A metal cluster on an insulating substrate (schematically) Ref. [1] [1] H.J. Freund, Surf. Sci. 500 (2002)271-299 [2] G. Ertl, H. Knözinger and J. Weitkamp, Editors, Handbook of Heterogeneous Catalysis Wiley-VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim (1997). [1] H.J. Freund, Surf. Sci. 500 (2002)271-299

  4. “Surface science” approach in catalysis Precursor O2 CO2 Desorption CO Pt pellet Adsorption Reaction ~10 mm [h1k1l1] Diffusion Single crystal [h1k1l1] „Materials gap“ 5-50 nm Support “Let us confine our attention mainly to reactions on plane surfaces. If the principles in this case are weIl understood, it should then be possible to extend the theory to the case of porous bodies". Langmuir, Trans. Faraday Soc.17 (1922) 615. Nobel Chemistry Prize 1932 "for his discoveries and investigations in surface chemistry"

  5. CO oxidation on platinum: Langmuir-Hinshelwood mechanism CO O2 O “for his studies of chemical processes on solid surfaces” 673. B. Pettinger, K.F. Domke, D. Zhang, R. Schuster, and G. Ertl:Direct monitoring of plasmon resonances in a tip-surface gap of varying width. Phys. Rev. B 76, 113409 (2007). http://www.fhi-berlin.mpg.de/th/personal /hermann/pictures.html

  6. Metody badania powierzchni • XPS (X-Ray PhotoelectronSpectroscopy) (ESCA – ElectronSpectroscopy for Chemical Analisys) – spektroskopia fotoelektronów w zakresie promieniowania X • AES (AugerElectronSpectroscopy) – spektroskopia elektronów Augera

  7. Metody badania powierzchni • SEM (ScanningElectronMicroscope) Skaningowy mikroskop elektronowy • EDX/EDS (Energy-dispersiveX-rayspectroscopy) – Mikroanaliza pierwiastkowa

  8. Wszystkie te metody wymagają wysokiej lub ultrawysokiej próżni!!! XPS, AES, SEM, MS Przyczyny: • Kontaminacja powierzchni próbki – 1 ML (1 ns) przy p = 1 bar • Analizowane elektrony muszą dolecieć do analizatora bez zderzenia z cząsteczkami/atomami gazu • W aparatach wysokopróżniowych (pompy/analizatory) występuje wysokie napięcie. Przy ciśnieniu normalnym występowałby łuk elektryczny.

  9. Jedna z definicji wysokiej próżni: – droga cząsteczek/atomów gazu swobodna jest większa od rozmiarów komory

  10. Efekt Casimira •   zjawisko fizyczne przyciągania pomiędzy dwiema pozbawionymi ładunku elektrycznego płytami wykonanymi z przewodnika spowodowane różnicą ciśnienia oddziałujących na nie cząstek wirtualnych. Pierwszy raz wystąpienie tego efektu w roku 1948 przewidział holenderski fizyk Hendrik B. G. Casimir pracujący w laboratoriach Philipsa. • Efekt Casimira występujący pomiędzy dwoma nienaładowanymi płytami z przewodnika umieszczonymi w próżni pełnej wirtualnych cząstek • Dla 1 μm siła pomiędzy płytami o powierzchni metra kwadratowego jest rzędu (10-7 N).

  11. Próżnia – ujęcie historyczne Demokryt: 460-370 p.n.e. Postulował, że materia składa się z atomów wirujących w pustej przestrzeni - próżni Jego poglądy były mniej „chwytliwe” niż Arystotelesa, pomimo, że zasadniczo miał rację. Więc został zapomniany na blisko 2000 lat.

  12. Próżnia – ujęcie historyczne Arystoteles: 384-322 p.n.e. Jego nauki wywarły znaczny wpływ na Ojców Kościóła, zwłaszcza na św. Tomasza z Akwinu (1225-1274). W średniowieczu uważany był za powszechny autorytet i wykładnię w sprawach naukowych. Podważając poglądy Arystotelesa można było popaść w konflikt z Kościołem, czyli główną siłą polityczną w ówczesnej Europie. „łac. horror vacui” – strach pustej przestrzeni - natura nie znosi próżni. Pogląd Arystotelesa, wg. którego osiągnięcie próżni nie jest możliwe, ponieważ przyroda w sposób naturalny i fundamentalny temu przeciwdziała.

  13. Próżnia – ujęcie historyczne W średniowieczu napotkano na problem. Wodę można było „zasysać” na wysokość nie większą niż 10 m. • Rozwiązanie tego problemu miało strategiczne znaczenie: • Gospodarka Europy była oparta o parytet złota i srebra • (wyjątek Anglii – system kija karbowanego rejestrującego. Trwał 726 lat do 1826 roku) • Ceny soli były ogromne • ograniczone wydobycie kruszców dusiło gospodarkę Europy. Dodruk pieniądza nie był możliwy.

  14. Próżnia – ujęcie historyczne • Evangelista Torricelli: 1608-1647. Włoski fizyk, uczeń Galileusza (1564-1642). • W roku 1643 przeprowadził doświadczenie z zatopioną na jednym końcu rurką zanurzoną w rtęci, które stało się podstawą do skonstruowania barometru rtęciowego.  • Jednostka ciśnienia tor (1,0 mmHg; 133,32 Pa) nosi nazwę dla upamiętnienia jego zasług. • W liście do kolegi napisał „Żyjemy na dnie oceanu atmosfery” poprawnie interpretując mechanizm ciśnienia powietrza. W liście do kolegi napisał „Żyjemy na dnie oceanu atmosfery” poprawnie interpretując mechanizm ciśnienia powietrza.

  15. Próżnia – ujęcie historyczne Blaise Pascal: 1623-1662. Francuski fizyk, matematyk i filozof religii. W roku 1646 (miał 23 lata) zainteresował się przeprowadzonymi przez Torricellego eksperymentami z barometrem. Wykonawszy replikę wynalezionego przez Włocha urządzenia, złożonego z wypełnionej rtęcią, jednostronnie zamkniętej rurki postawionej do góry dnem w misce pełnej tego metalu, Pascal zapytał, jaka siła utrzymywała nieco rtęci w rurce oraz co wypełniało przestrzeń pomiędzy szczytem słupa rtęci a zamkniętym końcem naczynia. Pascal po religijnym objawieniu w 1654 porzuca naukę. Na cześć Pascala nazwano jednostkę ciśnienia w układzie SI [Pa]

  16. Próżnia – ujęcie historyczne Otto von Guerickel: 1602-1686. Niemiecki naukowiec, wynalazca, polityk, burmistrz Magdeburga. W roku 1650 skonstruował pierwszą pompę próżniową. Wykonał doświadczenie z półkulami magdeburgskimi. W 1662 skonstruował barometr wodny. Odkrył także eksperyment demonstrujący elektrostatyczn odpychanie. Eksperyment półkulami magdeburskim (1656 – 1657)

  17. Próżnia – ujęcie historyczne Goslar (Niemcy) - Miasto w Niemczech, które dzięki zrozumieniu zasad fizyki rządzących próżnią mogło wydobywać srebro oraz miedź z pobliskich kopalń.

  18. Próżnia – ujęcie historyczne

  19. Jednostki ciśnienia: F – siła [Newton, dyna, kilogram, funt…] S – powierzchnia [m2, cm2, in2 ….]

  20. Powierzchnia Pt(111)

  21. Powierzchnia Pt(111)

  22. Powierzchnia Pt(111)

  23. Powierzchnia Pt(111)

  24. Powierzchnia Pt(111)

  25. Monokryształy Pd(111) Pt(111)

  26. Techniki dyfrakcyjne analizy struktury kryształów Otrzymywanie promieniowania rentgenowskiego:

  27. Techniki dyfrakcyjne analizy struktury kryształów Otrzymywanie promieniowania rentgenowskiego:

  28. Techniki dyfrakcyjne analizy struktury kryształów Otrzymywanie promieniowania rentgenowskiego:

  29. Techniki dyfrakcyjne analizy struktury kryształów Otrzymywanie promieniowania rentgenowskiego:

  30. Henry GwynJeffreysMoseley (1887-1915. 27 lat)

  31. XPS – Xray Photoelectron Spectroscopy

  32. Spectroscopic methods Photoeffect Zn plate UV-source 1879-1955

  33. Spectroscopic methods Energy Schematic representation of electron excitation by photons of different energies M. Henzler, W. Göpel, Oberflächenphysik des Festkörpers. Stuttgart 1994

  34. Spectroscopic methods Mean free path [Å] Kinetic Energy [eV] Mean free path of electron vs. Kinetic energy for different elements and transitions The signal comes from few top nanometers

  35. Spectroscopic methods 1918-2007 Aged 89 Kai Siegbahn 1981 Nobel Prize for developing the method of Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (ESCA)i.e. XPS Schema of typical XPS setup

  36. Spectroscopic methods Intensity [a.u.] Pt 4d5/2 Pt 4d5/2 Pt 4d3/2 Pt 4d3/2 314.3 eV 331.2 eV Kinetic Energy [eV] Binding Energy [eV] XPS spectrum of Platinum

  37. Mikroskopia elektronowa EDS, EDX, WDS, WDX– Mikroanaliza pierwiastkowa

  38. Techniki dyfrakcyjne analizy struktury kryształów Otrzymywanie promieniowania rentgenowskiego:

  39. Spectroscopic methods– determination of Ce oxidation state Ce3+ Ce4+ Initial states and final states of Ce3+ and Ce4+ ions in Ce3d core level XP spectra Ce3d photoelectron peaks reduction Binding Energy [eV] Decomposition of CeO2 from the initial state 90% of Ce4+90 (front spectrum) to 50% of Ce4+ (rear spectrum) due to reduction process Y. Suchorski, J. Gottfriedsen, R. Wrobel, B. Strzelczyk, and H. Weiss, Solid State Phenom. 128 (2007) 115

  40. Typical UHV setup

  41. Typical UHV setup QMS Electron energy analyser (not visible) STM LEED/AES X-ray gun Evaporator

  42. STM – Scanning Tunnelling Microscopy CeOx/Pt(111) STM 250 x 250 nm Ce evaporated @ 300C Normal contrast Inverted contrast CO Titration result – 70% of Pt(111) surface open for adsorption

  43. Coverage comparison with different methods Intensity [a.u] Binding Energy [eV]

More Related