Water Adsorption on Hydrophilic and Hydrophobic Surfaces of Silicon

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作者
Lei Chen,Xin He,Hongshen Liu,Linmao Qian,Seong H. Kim
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:122 (21): 11385-11391 被引量:154
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.8b01821
摘要

The isotherm thickness and hydrogen-bonding interactions of water layers adsorbed on hydrophilic and hydrophobic surfaces were quantified and compared. The hydrophilic and hydrophobic surfaces were modeled with an OH-terminated native oxide layer on silicon and a HF-etched silicon terminated with hydrogen, respectively. The silicon substrate allows the use of attenuated total reflection infrared (ATR-IR) spectroscopy for quantitative measurement of adsorbed water without interferences from the gas phase water. On the hydrophilic Si–OH surface, the average thickness of the strongly hydrogen-bonded water layer increases up to ∼2 molecular layers as relative humidity (RH) increases, beyond which the weakly hydrogen-bonded structure is dominant. On the hydrophobic Si–H surface, the adsorbed water layer consists predominantly of the weakly hydrogen-bonded structure and its average thickness remains less than a monolayer even at RH = 90%. The differences in the thickness and structure of adsorbed water layers on hydrophilic versus hydrophobic surfaces found from ATR-IR measurements provide critical insights needed for better understanding of various physical processes affected by water adsorption in ambient conditions.

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