결정성 얼음 박막에서 하이드로늄 이온의 이동성

Abstract

본 논문은 140-180K 온도 범위의 얼음 표면 반응에 대한 연구 결과다. 이온도 범위에서 얼음 박막은 승화와 상 변화를 거치는 것으로 알려져 있다. Pt(111) 시편 위에 결정성 H2O 박막(~60 BL)을, 그 위에 비결정성 D2O 박막(~50 BL)을 쌓아 총 ~110 BL 두께의 얼음박막을 만들었다. 그리고 D2O/H2O 계면에 염화수소를 흡착시켜 하이드로늄 이온 샌드위치 얼음 박막을 만들었다. 이 샌드위치 얼음 박막의 온도를 일정 속도로 올리면서 D2O 박막의 결정화와 양성자, 염소 이온, 물 분자 종의 움직임과 H/D 동위원소 교환현상을 관찰했다. 표면에 존재하는 분자 종과 이온 종을 관찰하기 위해 사용한 방법은 Cs+ 반응성 이온 산란법(reactive ion scattering, RIS), 저 에너지 스퍼터링(low energy sputtering, LES)이다. 그리고 열 탈착 질량 분석법 (temperature-programmed desorption mass spectrometry, TPD-MS)을 이용해 얼음 박막의 상 전이와 탈착하는 화학 종을 연구했다. 140-180K 온도 범위에서 비결정성이었던 D2O 박막의결정화가 이루어지는 것을 열 탈착 질량 분석법을 통해 확인했다. 또한, 양성자 전달, 물 분자의 회전과 확산, H/D 동위원소 교환에 의해 D2O/H2O 계면에 존재하던 하이드로늄 이온과 염소 이온이 표면으로 이동하는 것을 관찰했다. 이는 140K 이하의 온도에서 얼음 박막 표면 반응과 성층권 얼음 입자 표면에서의 반응을 연결하는 중요한 단서가 될 수 있을 것이다.

I studied the transport properties of water molecule, hydronium ions and chloride ions in ice films for the temperature range of 140-180K. At these temperatures, ice film desorbs with significant rates, and the phase transition of ice film from amorphous to crystalline state occurs near 160K. The water-ice films were prepared to have the structure of a thick bottom H2O (~60 BL) layer and the upper D2O (~50 BL) layer which was formed at a controlled temperature between 95-140K. Hydronium ions were trapped at the D2O/H2O interface by adsorbing HCl gas, to make a hydronium ion sandwich ice film. I observed the crystallization of D2O layer, the migration of hydronium and chloride ions and water molecules by using temperature-programmed desorption mass spectrometry (TPD-MS), low energy sputtering (LES) and Cs+ reactive ion scattering (RIS). A small bump near 160K in TPD-MS spectrum appeared as evidence of D2O crystallization. LES study indicated that hydronium and chloride ions migrated from the interfacial layer to segregate to the surface at high temperature. This study bridges the gap between the studies performed at the polar stratospheric conditions (>180K) and the low temperature conditions (<140K).