Явления и процессы на поверхности раздела двух фаз. Адсорбция физическая и химическая.

При формировании практически всех элементов ЭВС важную роль играют свойства, поверхности раздела отдельных слоев структуры или конструкции функциональных узлов, которые состоят из металлов, диэлектриков, полупроводников и композиционных материалов.

Свойства поверхности раздела зависят:

1. От сложных комплексных характеристик раздела на атомарном и субатомарном уровнях;

2. От взаимодействия этих поверхностей с полями (электрическими, электромагнитными) и излучениями (оптическими, ионизирующими).

Изменение характеристик поверхности раздела под действием внешних и внутренних факторов, приводит к необратимым изменениям параметров качества изделий ЭВС. Характеристики поверхностных и приповерхностных слоев влияют на все эксплутационные параметры ЭВС. Для установления количественных взаимосвязей параметров качества изделий и технологических факторов необходимо знание физико-химических свойств поверхности твердых тел. Это важно для выбора оптимальных технологических решений при эксплуатации и сохранении свойств поверхностных и приповерхностных слоев ЭВС. Любое технологическое воздействие среды на материал или изделие начинается с взаимодействия частиц этой среды с поверхностью материала, при этом необходимо знать механизм такого взаимодействия не только при формировании, но и при эксплуатации слоев. Технологии должны изучать явления и процессы, которые могут протекать на поверхности при различных условиях.

Адсорбция – это концентрирование вещества на поверхности раздела фаз.

Пусть мы имеем твердую поверхность на границе с газом (нанесение пленок на поверхность изолирующей подложки методом термовакуумного напыления). Внутри твердого тела частицы (атомы, ионы или молекулы) образующие его кристаллическую решётку правильно чередуются в соответствии с его кристаллической структурой, их взаимодействия уравновешены. На поверхности кристалла взаимодействие частиц неуравновешенно, у поверхностных атомов не все валентные связи задействованы, за счет обрыва кристаллической решетки у поверхности, поэтому поверхность притягивает атомы из соседней газовой фазы, в результате газ адсорбируется на поверхности твердого тела.

Адсорбент – это вещество, на поверхности которого происходит адсорбция.

Адсорбат – поглощаемое из объемной фазы вещество.

Десорбция – это процесс отделения от поверхности ранее адсорбированного вещества.

Существует 2 вида адсорбции:

1. Физическая;

2. Химическая (хемиосорбция);

Физическая возникает за счет действия различных сил:

 дисперсионные силы – это силы, вызванные согласованным движением электронов в сближающихся атомах, за счет движения электронов по орбитам возникают флюктуации электронной плотности, отклонение этой плотности от средней, за счет чего возникают флюктуирующие диполи, вызывает натяжение молекул;

 электростатические силы (ориентационные) возникают при адсорбции полярных молекул несущих постоянные электростатические заряды (ионы, диполи);

 индукционные силы, обусловленные появлением в адсорбирующихся молекулах дипольных моментов наведенных зарядами поверхности или появлением дипольных моментов в адсорбенте наведенных адсорбирующимся молекулами – диполями.

Все эти силы – это силы притяжения. При сближении молекул адсорбата с молекулами адсорбента эти силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания.

Хемиосорбция – между поверхностью адсорбента и молекулой адсорбата возникает прочная химическая связь с образованием нового химического поверхностного соединения.

Физическая адсорбция идет быстро, с повышением температуры поверхности скорость уменьшается, с понижением – повышается.

Хемиосорбция при низких температурах идёт медленно, с повышением температуры скорость хемиосорбции повышается, подобно скорости химической реакции.

Физическая адсорбция – низкоэнергетическая, ее энергия сравнима с теплотой конденсации (испарения), для органических растворов энергия адсорбции 8-15 кДж/моль. Для металлов от 10 до 40 кДж/моль.

Энергия хемиосорбции сравнима с теплотой химической реакции от 50 до 400 кДж/моль.