Transcript 分子の散乱

１．固体表面と気体分子
1.
表面における分子散乱
2.
適応係数
3.
付着確率と凝縮係数
4.
理想表面と実用表面
5.
吸着平衡
6.
昇温脱離スペクトル
http://www.oflab.iis.u-tokyo.ac.jp/
（Lahaye, Thesis)
1
表面の適応係数を利用した真空排気
Accommodation pump
J.P.Hobson: Review of pumping by thermal molecular pressures,
J. Vacuum Science and Technology A18, 1758(2000).
熱遷移：thermal transpiration
λ / a 1
粘性流領域
自由分子流領域
p1  p2
1
1
n1v1  n2 v2
4
4
p1
T
 1
p2
T2
2
長い配管を介して接続している場合
smooth
p1
T
γ 1
p2
T2
rough
0.05N HCl 100℃ｘ100h
1.1  γ  1.3
pA
γ
pB
3
4
分子と固体表面の相互作用
分子間相互作用
相互作用ポテンシャル
E  Edis  Eind  Ees  Eval
dE
F (r )  
dr
r
原子価相互作用
（価電子交換、共有）
永久電気双極子・四極子相互作用
誘起電気双極子・四極子
分散力（ファンデルワールス相互作用）
5
二体間相互作用
分散力相互作用
原子のまわりの電荷の揺らぎ
による隣接原子の分極
原子価相互作用
電子交換による共有結合
化学結合
反結合性軌道
結合性軌道
アルゴン原子間相互作用
水素原子間相互作用
6
分子の電気双極子・四極子モーメント
ｚ
＋ +q
d
ー -q
r
1 z
 (r , z ) 
dq
3
4πε0 r
双極子モーメント
D:デバイ
d=0.1nm q=1.6 x 10-19 c
(4.8x10-10 esu)
4.8D
四極子モーメント
N2分子
表面における理論Ⅱ（丸善、1995）、ｐ４．
7
分子の双極子・四極子モーメント
Kr/Cu(111)
1 esu =1018D
1eV  20kcal / mole.
8
レナード・ジョーンズ ポテンシャル (Lennard-Jones)
2
斥力項
ε
rε0
0
引力項
ε
 2
r0 rm
9
Lenard-Jones Potential
10
1eV  20kcal / mole.
（超高真空の物理）11
分子と表面の相互作用
固体全体との二体間相互作用
表面１層のみとの二体間相互作用
12
気体分子と表面の相互作用ポテンシャルの測定
分子線散乱 selective adsorption
bound-state resonance
 カロリメトリー
吸着熱
昇温脱離スペクトル
脱離の活性化エネルギー
13
分子線散乱と表面ポテンシャル
Hoinkes: Physical interaction potential of gas atoms with single
crystal surfaces determined from gas surface diffraction experiment,
Rev. Mod. Phys. 52, 933(1980).
入射分子の波動関数
Diffracted beam
kG z  0
2
Closed-channel
σgs: zero cross
σss: lattice const.
Bound-state channel
14
回折データの測定
γ回転
θi回転
Ei変化
15
Fig.6. H/NaCl(001)
Fig.7. D/NaCl(001)
16
Fig.16. Morse potential
17
物理吸着と化学吸着
Physical adsorption: physisorption
Chemical adsorption: chemisorption
結合エネルギー
表面選択性
多層吸着
解離
相互作用
大
大
なし（単層のみ）
あり（場合による）
化学結合力
小
小
あり，凝縮
なし
分散力
18
物理吸着の吸着ポテンシャル(理論計算)
He
H  H a  Hs  H as
α(iu) : atomicpolarizability
Zaremba and Kohn: Phys.Rev. B15, 1769(1977), B13, 2270(1975).
19
物理吸着希ガス分子の吸着
Da Silva: Phys.Rev.B72(2005)075424.
Z (A)

Z Xe (A)

Z Xe (A)
20
化学吸着（酸素分子の解離吸着の模式図）
切断
結合
解離エネルギー
吸着の活性化エネルギー
吸着エネルギー（物理吸着）
物理吸着状態
吸着エネルギー（化学吸着）
化学吸着状態
脱離の活性化エネルギー
Surfaces (Oxford Chemistry Primers, 1998)
21
化学吸着の電子論
反結合性
反結合性
結合性
d-バンド
結合性
s-バンド
逆供与
(back donation)
金属表面
吸着分子
孤立分子
表面の反応性
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Si(001) c(4x2)表面での酸化反応（Terakura）
23
24
表面物理学（村田好正）
付着確率と凝縮係数
付着確率：sticking probability
表面の吸着位置（化学吸着）に
捕捉される確率
凝縮係数：condensation coefficient
表面で物理吸着する確率
多層膜に吸着する過程を含む
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凝縮係数
（超高真空の物理）
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付着確率
27