5-6. Adsorption's dynamics : Direct, precursor-mediated

본 글은 고려대학교 화공생명공학과 하정숙 교수님의 강의록을 참고하였으므로,
이를 상업적으로 이용하면 안되며, 글을 가져가실 때는 꼭 출처와 댓글을 남겨주시기 바랍니다.

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5.6 Direct and precursor-mediated adsorption (Dynamics)

Adsorption mechanism은 5가지 조건에 따라 달라진다.

 

1) molecule and surface의 chemical identity
2) co-adsorbates 다른 흡착된 molecule과의 관계
3) crystallographic plane, 결정면과의 관계
4) surface temperature
5) molecular energy

 

또한 이 포스팅에서는 Adsorption이 어떤 dynamics로 이루어지는지 2가지 경우로 얘기할 것이다.

 

Direct Adsorption은 정말 바로 Adsorption 되는, 단계가 바로 흡착으로 이어지는 단계를 말한다.
Precursor-mediated Adsorption은 adsorb 되기 전에 precursor state 단계를 거치는 것을 말한다.

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1. Direct Adsorption

• Direct Adsorption은 처음 surface와 마주할 때에 의해 sticking을 할 것인지, scattering이 될 것인지를 정할 수 있다.
• molecule이 surface를 때리고, 에너지를 손실하고, adsorb 된다.
• molecule은 에너지를 잃지만, 다른 point로 갈 정도의 hop은 가능하다.

1-a. Energy dependence of the sticking coefficient in direct non-activated adsorption

• 중간에너지는 쓸모없다. 왜냐하면 non-activated이기 때문에 세기는 상관 없다.
• High E 일 때 : sticky point는 E의 함수이다. 따라서 s는 High E에서 떨어진다. 이유는 에너지가 너무 쎄면, surface에서 그대로 elastic sactterinig이 벌어지기 때문이다.
• Low E 일 때 : s는 높아진다. 이유는 어차피 non-activated 하기 때문에 에너지 손실도 많이 없고, 원하는 site를 골라갈 수 있다.
• ex) binding N with metal atom :
  • NO에서 O가 먼저 surface에 붙으려한다면, surface에 붙기전에 reorient, 재배열을 해야할 것이다. 재배열하지 않는다면 NO는 붙지 않는다.
  • slow한 분자일수록 N이 O보다 interaction이 강하기 때문에 reorientation이 되면서 surface와 attraction 세기가 강해질 것이다.
  • steering : 분자들의 방향을 바꿔주는 것.
  • Molecule들은 적절한 site와 적절한 방향으로 attractive or repulsive 힘으로 인해 steering 될 것이다.

1-b. Temperature dependence of s in direct nonactivated adsorption

• No strong influence
• High T : 표면에 붙어있는 분자들 조차 desorb 될 수도 있다. 따라서 붙었다 떨어져 나온건지 그냥 부딪히고 나온지 알 수 없다 .

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2. Precursor-mediated adsorption

Precursor state는 Physisorption을 향해 간다.

즉, Precursor는 Physisorption으로 가기 전, 상태를 말한다.

 

1. 분자는 기체상태로 가기 전, 첫번째 바운스를 하면 E를 잃는다.
2. 분자는 precursor state에 trapped 되어있다.
3. precursor는 안정한 adsorbed state (physisorbed state)와 관련있다.
4. 분자가 chemisorption 상태로 잘 갈 수 있지만, barrier가 존재한다면, 떨어지기 쉽지 않다.

2-a. E and T dependence of precursor-mediated adsorption

• Dynamics of trapping into precursor state = dynamics of direct adsorption --> same energy dependence
• surface의 Temp이 커질 때 Desorption rate도 커진다 : 그 이유는 precursor state가 strong bond가 아니기 때문에 조금의 E로도 떨어져 나온다.
• precursor state와 chemical adsorb state 사이의 장벽 (Energy Barrier)이 최대 E = 0을 초과하는 경우, T를 증가시키면 Chemisorption이 증가하므로 흡착 속도가 증가한다.