2.5. Сорбция

Как уже отмечалось ранее, любая поверхность, вещества обладает свободной энергией поверхности(СЭП). Все поверхностные явления сводятся к взаимодействию атомов и молекул, которые происходят в двумерном пространстве при непосредственном участии СЭП. Любую твердую поверхность можно представить себе как "универсальный магнит", притягивающий любые частицы, оказавшиеся поблизости. Отсюда вывод: поверхность любого твердого тела обязательно "загрязнена" молекулами воздуха и воды. Опыт показывает, что чем выше степень дисперсности данного тела, тем больше количество частиц другого тела оно поможет поглотить своей поверхностью.

Процесс самопроизвольного "сгущения" растворенного или парообразного вещества (газа) на поверхности твердого тела или жидкости носит название сорбции(от латинскогоsorbeo– поглощаю). Поглощающее вещество называетсясорбентом, а поглощаемоесорбтивом(сорбатом). В зависимости от того насколько глубоко проникают частицы различаютадсорбцию(когда вещество поглощается на поверхности тела) иабсорбцию(когда вещество поглощается всем объемом тела). В зависимости от характера взаимодействия частиц сорбента и сорбтива, бываетсорбция физическая, где взаимодействие обусловлено силамикогезиииадгезиит.е. силами межмолекулярного взаимодействия (силами Ван-дер-Ваальса) и химическая (хемосорбция).

Адгезией(от латинскогоadhaesio– прилипание) называется сцепление поверхностей разнородных тел. Благодаря адгезии возможны нанесение гальванический покрытий, склеивание, сварка и др., а также образование поверхностных пленок, например оксидных.

Когезия(от латинскогоcohaesus– связанный, сцепленный) – это сцепление (притяжение) молекул (атомов, ионов) в физическом теле. Обусловлена силами Ван-дер-Ваальса, наиболее сильна в твердых телах и жидкостях.

Процесс, обратный сорбции называется десорбцией.

Особое положение занимает сорбционный процесс, называемый капиллярной конденсацией. Сущность этого процесса заключается не только в поглощении, но и в конденсации твердым пористым сорбентом, например, активизированным углем газов и паров.

Из всех перечисленных выше сорбционных явлений наибольшее практическое значение имеет адсорбция. Чем меньшей энергией обладают молекулы, тем легче они адсорбируются на твердой поверхности. С уменьшением температуры адсорбата (газа) адсорбция увеличивается, а с увеличением температуры – уменьшается.

При адсорбции молекулы газа, сталкиваясь с поверхностью, прекращают движение. Значит: они теряют энергию, а "лишняя" энергия должна выделяться. Вот почему при физической адсорбции выделяется тепло. Причем: последний процесс, если он идет в закрытом объеме, сопровождается понижением давления газа. При десорбции же давление газа – сорбтива увеличивается, при этом идет поглощение энергии. Это свойство используют в некоторых теплосиловых установках.

Очень интересные явления и эффекты происходят при адсорбции на поверхности полупроводников.

Фотоадсорбционный эффект. Это зависимость адсорбционной способности адсорбента-полупроводника от освещения. При этом эта способность может увеличиваться (положительный эффект) и уменьшаться (отрицательный фотоадсорбционный эффект). Эффект можно использовать, например, для регулирования давления в замкнутом объеме.

Электроадсорбционный эффект. Это зависимость адсорбционной способности от величины приложенного электрического поля. Оказывает влияние на фотоадсорбционный эффект. Поле прилагают перпендикулярно поверхности полупроводника – адсорбента.

Адсорболюминесценция. Это люминесценция, возбуждаемая не светом, а самим актом адсорбции. Свечение длится до тех пор, пока идет процесс адсорбции, и погасает, когда адсорбция прекращается. Яркость свечения пропорциональна скорости адсорбции. Цвет свечения при адсорболюминесценции, как правило, тот же, что и при фотолюминесценции, т.е. определяется природой активатора, введенного в полупроводник, и не зависит от природы адсорбируемого газа. Адсорболюминесценция является одним из видовхемолюминесценции.

Радикало-рекомбинационная люминесценция(Р-РЛ). На поверхности полупроводника могут рекомбинировать приходящие из газовой фазы радикалы, например, атомы водорода. При этом происходит свечение полупроводника, которое длится до тех пор, пока на поверхности идет реакция рекомбинации. При Р-РЛ, как и при адсорболюминесценции, испускаются те же частоты, что и при фотолюминесценции. Они образуют полосу, которую называют обычноосновной полосой. Следовательно, цвет люминесценции меняется при смене активатора, не зависит от природы активатора, но меняется при смене газа, участвующего в реакции (например, при замене водорода кислородом).

На примерах адсорболюминесценции и радикало-рекомбинационной люминесценции видно, что электронные процессы в полупроводнике связаны с химическими процессами, протекающими на его поверхности.

В результате адсорбции поверхность полупроводника заряжается. При адсорбции акцепторов она заряжается отрицательно, а при адсорбции доноров – положительно.

Адсорбционная эмиссия. Работа выхода электрона может изменяться под действием адсорбции. Это зависит от знака заряда поверхности при адсорбции, т.е. от природы адсорбируемого газа. В случае положительного заряда работа выхода снижается, в случае отрицательного – возрастает. По ее изменению часто можно судить о составе газовой фазы. Давление газовой фазы также влияет на работу выхода.

Влияние адсорбции на электропроводность полупроводника. Электропроводность поверхности полупроводника монотонно изменяется по мере хода адсорбции, но не достигает некоторого постоянного значения. Адсорбция вызывает увеличение или уменьшение электропроводности полупроводника в зависимости от того, какой газ (акцепторный или донорный) адсорбируется и на каком полупроводнике (электронном или дырочном). Например, кристаллы двуокиси олова изменяют свою проводимость в присутствии водорода, окиси углерода, метана, бутана, пропана, паров бензина, ацетона, спирта. Нагревание кристалла изменяет величину этого эффекта. Это количественное различие может быть зафиксировано чувствительным прибором.