离子散射谱实时探测水在铜(110)表面的解离与电荷交换

摘要

随着铜基石墨烯设备的大规模生产、工业上以铜作为催化剂催化水煤汽反应以及核废料处置中以铜罐装填乏燃料并深埋地下等方法的广泛应用，研究水和铜的相互作用日益重要。特别是水在铜表面的吸附、解离等物理化学过程有助于我们在最基本的层面上理解腐蚀过程和氢键作用，这类研究尤为引人关注。
　　目前，大多数水在铜(110)表面的吸附和解离研究主要集中在低温和超高真空条件下。他们发现在低温时水以分子形式完整的吸附在Cu(110)表面，当温度达到290K时水以羟基复合反应的方式脱吸附。那么高温时水会一直以这种方式脱吸附吗？高温时是否有很强的羟基与铜的化学作用？由于目前缺乏相关实验研究，这些问题都没有办法回答。表面成分的改变会影响表面费米能附近的电子态。紫外光电子谱能探测价电子态，但光与电子能够诱导水解离。X射线光电子谱只探测内壳电子态，且X射线和光电子能诱导水解离，也不能测量氢元素。程序升温脱附技术会探测到样品边缘、背面以及样品架上脱附的水分子，使问题复杂化。因此科学界正在寻找新的实验方法。
　　基于以上问题，本工作提出了一种新的探测手段——离子散射谱。该技术不仅可以对氢和氧实现实时、原位分析，而且利用电荷交换可以实时、原位的探测表面费米能附近电子态的变化。
　　本文先通过飞行时间谱研究水在Cu(110)表面的吸附和脱吸附运动学行为。我们发现水在Cu(110)表面先是化学解离吸附的羟基，然后是物理吸附的水分子，吸附率随着吸附量增加而减少。室温下水的吸附满足一阶Langmuir吸附模型。氢和氧的强度比在423K附近迅速减少，说明物理吸附的水可通过加热去除。尽管升温中发生了各种反应，但OH/O相一直共存。特别是在723K，我们还能观测到原子氧的痕迹，说明表面已被水氧化。
　　本文接着进行了快氟负离子与吸附水Cu(110)表面掠射实验，通过电荷交换来研究升温过程中表面费米能附近电子态的实时变化。我们观察到随着温度升高，负离子份额单调减少。我们利用表面电子结构对实验现象进行了定性解释，最后进行了简单的计算，表明在升温过程中吸附水铜表面的功函会增加。这说明电荷交换是一种灵敏的实验手段，可以获得其他技术得不到的信息。

目录

声明

第一章 引言

1.1 水与表面相互作用的研究背景

1.2水在铜表面吸附、解离、脱附的研究现状

1.3 表面吸附物对电荷交换的影响

1.4表面分析技术

1.5本论文的创新点与内容安排

第二章 离子-表面相互作用基本概念

2.1两体碰撞模型

2.2散射与反冲截面

2.3 离子-表面散射中的电荷转移

2.4自由电子气模型

2.5 Cu(110)、吸附物/Cu（110）的几何结构

2.6 吸附物对Cu(110)表面电子结构与功函的影响

第三章 实验仪器及技术

3.1离子束

3.2超高真空系统

3.3样品表面清洁

3.4一维位置灵敏探测器

3.5飞行时间散射反冲谱

3.6实验简述

第四章 实验结果与讨论

4.1水在铜表面的吸附与脱附实验结果与讨论

4.2水/铜表面的电荷交换结果与讨论

第五章 总结与展望

参考文献

在校期间的科研成果

致谢