Name: Erforschung der Struktur und Dynamik von Grenzflächen Wasser mit Scanning Tunneling-Mikroskopie und Spektroskopie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 28 s
Description: Erfahren Sie die Struktur und Dynamik von Grenzflächenwasser auf atomarer Skala mit Rastertunnelmikroskopie und Einzelbindungsspektroskopie. Diese Methode ermöglicht Einblicke in Wasserstoffbrückenbindungen.

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Diese Arbeit wird finanziert durch die nationalen Schlüssel R & D-Programm unter Grant No. 2016YFA0300901 2016YFA0300903 und 2017YFA0205003, der National Natural Science Foundation of China unter Grant Nr. 11634001, 11290162/A040106. Y.J. räumt Unterstützung durch National Science Fund for Distinguished Young Scholars und Cheung Kong Young Scholar Program. J. G. räumt Unterstützung durch die National Postdoctoral Program für Innovative Talente.

Hinweis: Die Experimente sind auf Wasser-Moleküle adsorbiert an der Au-gestützte NaCl(001) Film (Abbildung 1(ein) bei 5 K mit einer Ultrahochvakuum (UHV) kryogenen STM ausgestattet mit elektronischer Steuerung Nanonis durchgeführt.
1. Herstellung von experimentellen Probe
<ol><li>
Reinigen Sie die Au(111) Einkristall
	<ol>
<li>Pumpen Sie die Gasleitung auf den Druck von ~ 10-7 Mbar und dann spülen Sie die Gasleitung mit Ar-Gas. Die Pumpe/Flush Zyklus dreimal durchlaufen. Hinweis: Jede Pumpe/Flush-Zyklus dauert etwa 30 Minuten.</li>
		<li>Füllen Sie die Gasleitung mit Ar Gas auf den Druck von 2 bar, so verbietet die Atmosphäre durch die Gasleitung zu durchdringen.</li>
		<li>Setzen Sie den Au(111) Kristall auf der Heizung-Bühne, die auf dem Manipulator in der UHV-Kammer montiert ist (Basis Druck von 1,4 × 10-10 Mbar).</li>
		<li>Reinigen Sie die Au(111) Einkristall Zyklen der Ar+ Ion Sputtern für 15 min (p(Ar) = 5 × 10-5 Mbar, 1,0 kV, 6 µA) und anschließende Glühen bei ca. 900 K für 5 min. Hinweis: Sollte die Anlasstemperatur langsam abgenommen werden, ansonsten wird eine hohe Dichte an Stufenkanten auf der Au-Oberfläche bilden. 3 bis 5 Sputtern/glühen Zyklen werden in der Regel verwendet.</li>
		<li>Übertragen Sie die Au(111) Probe auf die STM-Scan-Bühne zu, und überprüfen Sie die Sauberkeit mit STM (kleines Foto von Abbildung 1b).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Ablagerung von NaCl auf Au(111) Substrat
	<ol>
<li>Entgasen Sie die NaCl-Quelle. Langsam erreicht Erhöhung der Strom auf die Knudsen-Zelle, bis die Temperatur der Quelle angewandt 670 K. Degas die NaCl-Quelle mehrere Male bis der Druck der Kammer unter 4 × 10-9 Mbar. Hinweis: Die steigende Rate des Stroms hängt die Ausgasung bei der NaCl-Quelle, der Druck der Kammer unter 1 × 10-8 Mbar zu halten.</li>
		<li>Der Manipulator setzen Sie Au(111) Probe auf und passen Sie die Position der Au-Probe, die Probe den Auslöser der Knudsen-Zelle Gesicht zu machen. Hinweis: Die Temperatur des Substrates Au(111) konnten unterhalb der Raumtemperatur (77-300 K) gesenkt werden durch die Abkühlung der Manipulator-Kopf mit einem kontinuierlichen Strom von flüssigem Stickstoff</li>
		<li>Erhöhen Sie den Strom auf die Knudsen-Zelle angewendet, bis die Temperatur der Quelle 640 K erreicht, und lassen Sie die Verdunstung Flussmittel für 5 min zu stabilisieren, bevor der Verschluss geöffnet.</li>
		<li>Der Verschluss geöffnet und Hinterlegung der NaCl auf die Au(111) Probe für 2 min bei 290 K statt.</li>
		<li>Übertragen Sie die Au-gestützte NaCl-Probe auf die STM Scannen Bühne. Überprüfen Sie die Abdeckung und die Größe der Bilayer NaCl(001) Inseln auf dem Au(111) Substrat mit STM (Abbildung 1b).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reinigen Sie das Wasser unter Vakuum durch Frost-Pumpe-tau-wechseln21 , restlichen Verunreinigungen zu entfernen.<ol>
<li>Bereiten Sie drei abgeriegelten Glas-UHV Adapter. Wasser H2O, D2O und D2O:HOD:H2O isotopischen Mischung Lösungen (2 mL) in drei Adapter separat, und montieren Sie den Adapter an der Gasleitung (Abbildung 2). Hinweis: D2O:HOD:H2O isotopischen Mischungen können durch Mischen der hochreinen H2O und D2O mit gleichen Mengen unter Ultraschall Schwingung für 10 min erreicht werden.</li>
		<li>Das flüssige Wasser mit flüssigem Stickstoff eingefroren. Stellen Sie sicher, dass die Gasleitung, um den Druck von ~ 10-7 Mbar vor dem Einfrieren gepumpt wird.</li>
		<li>Öffnen Sie die Membran versiegelt Ventil und Pumpe aus der Atmosphäre für 15 Minuten. Dann schließen Sie das Ventil Membran versiegelt und tauen Sie die Lösung. Hinweis: Gasblasen entstehen aus der Lösung, wenn es Auftauen ist. Vorsicht: Lassen Sie die gefrorenen Lösungsmittel Tauwetter von selbst. Die Lösung mit Wasserbad Auftauen verursachen das Glasgefäß zu brechen. Einfrieren und Auftauen die Lösung schnell, Glas-UHV Adapter mit Metall-UHV Adapter zu ersetzen, wenn die Lösung in den Metallbehälter unsichtbar ist.</li>
		<li>Wiederholen Sie Schritte 1.3.2-1.3.3, bis keine Gasblasen aus der Lösung zu entwickeln, wie die Lösung auftaut. Legen Sie durch den Frost-Tausalz-Pumpe-Zyklus mindestens dreimal.</li>
		<li>Schließen Sie das Ventil Balg abgedichtet und lassen Sie die Gasleitung im Vakuum. Dann öffnen Sie das Ventil Membran versiegelt, und lassen Sie den Wasserdampf in die Gasleitung zu füllen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Dosis Wasser-Moleküle in Situ auf der Probenoberfläche<ol>
<li>Verringern Sie die Temperatur der Probe, 5 K. Open das Leck-Ventil den Druck der STM UHV-Kammer langsam zu steigern bis 2 × 10-10 Mbar. Hinweis: Wassermoleküle fließen in die UHV-Kammer durch die Dosierung Schlauch, der auf den Auslöser des Schildes zeigt. Der Abstand zwischen den Auslöser und der Probe (im Schild) ist ca. 6 cm. Der Basisdruck der STM Kammer sind besser als 7 × 10-11 Mbar. Die Abscheiderate ist über 0,01 Bilayer min-1.</li>
		<li>Öffnen Sie den Auslöser. Dosieren Sie die Wasser-Moleküle auf der Oberfläche des Au-gestützte NaCl für 1 min. Schließen Sie dann den Auslöser und das Leck-Ventil.</li>
		<li>Überprüfen Sie die Abdeckung der Wasser-Moleküle auf der Oberfläche des Au-gestützte NaCl(001) mit STM. Isolierte Monomere Wasserform auf der Probenoberfläche (Abbildung 1c).</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Vorbereitung der Cl-terminierte Spitze
<ol><li>Fertigen Sie einen elektrochemisch geätzten Wolfram (W) Tipp.<ol>
<li>0,3 mm W Draht in eine 3 Mol/L NaOH Radierung Lösung mit einer Immersion-Länge von ca. 2 mm zu platzieren.</li>
		<li>Die W-Leitung in Bezug auf einen Platinring Elektrode eingefügt in die NaOH-Lösung zuweisen Sie einen 5 V dc potenzielle.</li>
		<li>Der Ätzvorgang zu stoppen, wenn der suspendierte W Draht fiel. Reinigen Sie die geätzte W Spitze mit destilliertem Wasser und Ethanol. Übertragen Sie anschließend die W-Spitze in den Scanner. Hinweis: Die elektrochemisch geätzte W-Tipp für ein Jahr vor Austausch einsetzbar.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Spannungsimpulse (2-10 V) anwenden und kontrollierten Absturz Verfahren (0,25-0,4 nm) an der Spitze der STM bis die atomare Cl-Atome der NaCl-Oberfläche gelöst werden. Hinweis: Die STM-Tipp ist auf einen sauberen Gebiet der Au(111) Oberfläche stieß.</li>
	<li>Positionieren Sie die STM-Spitze mittig auf ein Cl-Atom (Abbildung 3ein). Bringen Sie die nackten STM Spitze in der Nähe der NaCl-Oberfläche in der Nähe mit dem festgelegten Punkt V = 5 mV und I = 5 n ein (Abbildung 3b).</li>
	<li>Zurückziehen der Spitze zum ursprünglichen Sollwert (Abb. 3c) und Scannen Sie den gleichen Bereich. Überprüfen Sie die Erlangung der Cl-Spitze durch verbesserte Auflösung und eine fehlende Cl-Atom in der STM-Bild von NaCl (Abbildung 3-d-e). Hinweis: Erfolglose Fällen gelegentlich, z. B. auftreten, wenn das Cl-Atom nicht auf die STM übertragen oder mehrere Cl/Na-Atome an der Spitze adsorbieren. Wenn dies auftritt, wiederholen Sie die Schritte 2.2-2.5.</li>
</ol>(3) orbital Bildgebung von Wasser Monomer
<ol><li>Die STM-Spitze mit Spannungsimpuls (2-10 V) zu gestalten und kontrollierten Absturz (0,25-0,4 nm) Verfahren.</li>
	<li>Scannen Sie die Wasser-Moleküle adsorbiert auf der NaCl(001) Oberfläche mit 10 nm von 10 nm-Frame an 5 K.</li>
	<li>Fokus auf einem einzelnen Wasser-Monomer und vergrößern. Scannen Sie das Wasser-Monomer in einer systematischen Weise als Funktionen des Bias (-400-400 mV) und der Tunnelstrom (50-300 pA). Hinweis: Mit einer bloßen STM-Spitze, die höchste besetzt (HOMO) und niedrigsten unbesetzten (LUMO) Molekülorbitale des Wassers erscheinen am positiven und negativen Bias, bzw.22. Sobald die Spitze Cl beendet ist, nur HOMO entsteht (Abbildung 4ein) und das LUMO-Feature nicht, die zugängliche Bias Bässe beobachtet wird (von-400 mV 400 mV). Auch unter größeren Bias-Spannung werden die Wassermoleküle aufgrund Schwingungs Erregung instabil.</li>
</ol>4. Einzelmolekül-Schwingungs-Spektroskopie
<ol><li>
Einrichtung von digitalen Rastpositionen und Bias Spektroskopie-Modul (Nanonis elektronische Steuerung)
	<ol>
<li>
Einrichtung der Bias-Spektroskopie-Modul: Wählen Sie die aktuelle LIX1 (dI/dV Spektren signal) und LIX2 (d2ich / dV2 Spektren signal) Kanäle. Die eingestellte Zeit als 50 ms und Integrationszeit als 300 ms erhöhen die Integrationszeit und Sweep Mal glattere Spektren zu erhalten. Stimmen Sie den Z-Offset um die Bias-Spektroskopie an verschiedenen Hakenhöhen. Stellen Sie sicher der Z-Controller set hält und Lock-ins ausgeführt wird, während der Messung Hinweis: Einstellung der Zeit ist definiert als: die Wartezeit nach der Änderung der Vorspannung auf die nächste Stufe und bevor ab, Daten zur Vermeidung von vorübergehende Wirkung zu erwerben durch die Bias Änderung induziert. Integrationszeit ist definiert als: die Zeit, in dem die Daten erfasst und gemittelt.</li>
		<li>
Aufbau des Lock-in-Modul Hinweis: Das Scannen tunneling-Spektroskopie, dI/dV und d2ich / dV2 Spektren, werden gleichzeitig mit einem Lock-in-Verstärker durch heißt die erste und zweite Harmonik der Tunnelbau Strom, bzw..<ol>
<li>Modulieren Sie die Vorspannung zu und Demodulieren Sie die aktuelle. Legen Sie der Modulationsfrequenz wie ein paar hundert Hz und Modulation Amplitude als 5-7 mV. Stellen Sie sicher, es gibt keine mechanische und elektronische Geräusche bei der Sollwert-Frequenz und die entsprechende zweite harmonische Frequenz.</li>
			<li>
Legen Sie die erste harmonische Phase: Wechseln Sie in die Z-Controller-Modul. Legen Sie den Tipp-Lift auf 10 nm und schalten Sie das Feedback. Wechseln Sie in die Lock-in-Modul, und schalten Sie die Lock-in-Taste (grün). Klicken Sie auf der ersten harmonischen Auto phase und die Phase aufzuzeichnen. Wiederholen Sie die Auto-Phase mindestens fünfmal und des Durchschnitts. Dann subtrahieren Sie 90 Grad von der gemittelten Phase, die Phase des Übergangs zu bekommen.</li>
			<li>
Legen Sie die zweite harmonische Phase: Positionieren Sie die STM-Spitze auf dem Substrat Au(111) und beginnen Sie Bias Spektroskopie Sweep von -1,5 V, 1,5 V. Wählen Sie Kanal LIX 1 und funktionieren Sie dY/dX, die zeigen gemeinsam der Ableitung von dI/dV-Spektrum. Eine markante Gipfel-Funktion im Spektrum zu finden und die entsprechende Energie als die Vorspannung eingestellt. Schalten Sie die Lock-in, und halten Sie die STM-System im Tunnelbau. Klicken Sie auf die zweite harmonische Auto-Phase mindestens fünfmal und nehmen im Durchschnitt. Hinweis: Da die zweite harmonische Signale in der Regel sehr schwach sind, kann die Phase Wild schwanken. Wenn die Spitzenhöhe erhöhen die Intensität des Signals zu verringern, wird die Schwankung der Phase sehr viel kleiner sein (ein paar Grad) und die zweite harmonische Phase genauer werden.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Tipp-enhanced IETS von einem D-2O-monomer
	<ol>
<li>Scannen Sie ein Wasser-Monomer mit Cl-Tip auf den Sollwert des V = 100 mV und ich = 50 Pa.</li>
		<li>Positionieren Sie die Cl-Spitze auf der NaCl-Oberfläche und nehmen Sie die Bias-Spektroskopie als das Hintergrundsignal. Dann setzen Sie die Cl-Spitze auf dem Wasser-Monomer und Bias Spektroskopie Sweep.</li>
		<li>Wenn dI/dV und d2ich / dV2 Spektren des Wassers sind nichtssagend, folgen Sie einfach die Hintergrund NaCl Oberfläche (blaue Kurve von Abb. 4c-d). Verringern Sie die Spitzenhöhe von tuning der Z versetzt, bis die Schwingungen-Funktionen in den Spektren (rote Kurven von Abbildung 4c-d) entstehen. Hinweis: für die IETS Messung, eine lange Integrationszeit (~ 1 s) und mehrere fegt erforderlich sind. Für eine D-2O-Wasser Monomer, legen Sie den Bias Bereich aus -360 mV bis 360 mV. Wasser für H2O/HOD Monomere, fegen die Vorspannung von-475 mV bis 475 mV. Im Vergleich mit D2O und H2O HOD, sind Wasser-Monomere leichter gestört und sogar gefegt entfernt während IETS Messung.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
H-Klebkraft
	<ol>
<li>Wiederholen Sie die Schritte 4.2.2-4.2.3 und stimmen Sie die Sweep Bias reichen bis auf die Dehnung Modus Wasser Monomere zu konzentrieren. Die IETS Wasser D2O und H2O HOD vorgestellt und diskutiert in 23.</li>
		<li>Erhalten Sie die H-Bonding-Energie durch die Rotverschiebung des H-gebundenen OH Dehnung Frequenz (bezogen auf die freie OH stretching Energie) mit dieser empirische Formel umstellen: ΔH = 1,3 × √ΔV (1) Hinweis: ΔH ist die H-Bonding-Energie in kJ/Mol; ΔV ist die Rotverschiebung des OH stretching-Modus im cm-1. MeV durch die Einheit des H-Bindungsstärke umwandeln: 1kJ/Mol = 10,4 meV/Atom. Um GL. 1 auf der OD Dehnung Modus anzuwenden, die Menge ΔV sollte werden multipliziert mit einem Faktor: V(OH) / V(OD) = 1,3612, wo V(OH) und V(OD) sind die OH und OD Dehnung Frequenzen frei HOD-Moleküls, bzw..</li>
	</ol>
</li>
</ol>(5) Molekulare Manipulation
<ol><li>
Bau von einer Wasser-Tetramer (Abbildung 5ein)
	<ol>
<li>Scannen Sie eine Fläche, die vier Wasser Monomere enthalten. Positionieren Sie die Cl-Spitze auf einem Monomer an den Sollwert des V = 100 mV und ich = 50 Pa. Verringern Sie die Höhe auf den Sollwert von V = 10 mV und ich = 150 pA um die Tipp-Wasser-Wechselwirkung zu erhöhen.</li>
		<li>Bewegen Sie die Cl-Spitze entlang der vordefinierten Flugbahnen. Dann zurückziehen die Spitze an den ursprünglichen Satz (V = 100 mV, ich = 50 pA), und Scannen Sie den gleichen Bereich zu prüfen, ob die Wasser-Dimer gebildet wird.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 5.1.1-5.1.2 um die Wasser Trimer und Tetramer bilden. Hinweis: Die oben beschriebenen Manipulation Prozess könnte vom Nanonis Controller realisiert werden (Scan Control-Follow me Modul). Einrichten der Scan Control-Follow me Modul: Vorspannung: 10 mV Geschwindigkeit: 500 pm/s Z-Ctrl Sollwert: 150 pA Ein-/ausschalten Z-Ctrl: grün Wartezeit: 1 s Stromverstärkung: LN 10 ^ 9 Pfad: Schaltfläche "aufzeichnen" und erarbeiten Sie die gestalteten Bahnen auf das Bild klicken Sie auf die Stopp-Taste. Klicken Sie auf die Schaltfläche ausführen und STM Tipp bewegt sich auf die vordefinierten Flugbahnen mit dem Sollwert in der Follow-me Modul. Wenn das Wasser Monomer nicht bewegt, verringern Sie die Tipp-Höhe (kleinere Bias und größeren Strom) während der Bearbeitung.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Chiralität Schalten von einer Wasser-Tetramer (Abbildung 6( )
	<ol>
<li>Scannen Sie ein Wasser-Tetramer mit der Cl-Spitze. Ändern Sie den Sollwert, V = 5 mV, ich = 5 pA, und positionieren Sie die Spitze leicht aus der Mitte des Wasser-Tetramer.</li>
		<li>In der Z-Controller-Modul, legen Sie eine Entfernung um die Spitze zu heben, wenn die Z-Controller ausgeschaltet ist (z. B.heben Sie Tipp:-230 pm). Schalten Sie das Z-Controller-Feedback. Bringen Sie die Spitze in der Nähe der Wasser-Tetramer (~ 230 pm).</li>
		<li>Notieren Sie die aktuellen Trace, die zeigt zwei verschiedene Ebenen, die darauf hinweist, dass das Tetramer reversible fußenden zwischen zwei H-Bindung Chiralität unterzogen wurde.</li>
		<li>Lassen Sie den Strom auf dem hohen Niveau und schalten Sie das Z-Controller-Feedback. Zurückziehen die Spitze auf den ursprünglichen Sollwert (V = 5 mV, ich = 5 pA). Scannen Sie die Wasser-Tetramer mit den Sollwert des V = 10 mV und ich = 100 pA um chirale Bundesstaat Wasser Tetramer zu überprüfen.</li>
		<li>Wiederholen Sie Schritte 5.2.1-5.2.4 mindestens 10 mal um den entsprechenden chiralen Zustand von Wasser Tetramer über dem aktuellen Niveau zu bestätigen.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 5.2.1-5.2.4 mindestens 10 Mal, aber den Strom auf dem niedrigen Niveau, den entsprechenden chiralen Zustand von Wasser Tetramer überprüfen lassen.</li>
		<li>Datensatz die tunneling-Ablaufverfolgung für 20 min, die ein paar hundert switching Ereignisse enthält</li>
		<li>Die Verteilung der Zeit das Tetramer in der niedrigen und hohen Niveau der aktuellen Spur bzw. verbrachte Grundstück.</li>
		<li>Passen Sie die Verteilung an einem exponentiellen Zerfall (Abbildung 7). Dann bekommen Sie die angepasste Zeit konstant. Umkehrung der Zeitkonstante um die Schalt-Rate zu erzielen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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<li>Shiotari, A., Sugimoto, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrahigh-resolution+imaging+of+water+networks+by+atomic+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Ultrahigh-resolution imaging of water networks by atomic force microscopy.</a> Nat. Commun. 8, (2017).</li>
<li>Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nphoton.2010.235">Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy.</a> Nat. Photonics. 4 (12), 869-874 (2010).</li>
<li>Yoshida, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+ultrafast+spin+dynamics+with+optical+pump-probe+scanning+tunnelling+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Nanotechnol%22%5BJournal%5D)">Probing ultrafast spin dynamics with optical pump-probe scanning tunnelling microscopy.</a> Nat. Nanotechnol. 9 (8), 588-593 (2014).</li>
<li>Mamin, H. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+nuclear+magnetic+resonance+with+a+nitrogen-vacancy+spin+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Nanoscale nuclear magnetic resonance with a nitrogen-vacancy spin sensor.</a> Science. 339 (6119), 557-560 (2013).</li>
<li>Staudacher, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear+magnetic+resonance+spectroscopy+on+a+%285-nanometer%293+sample+volume%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Nuclear magnetic resonance spectroscopy on a (5-nanometer)3 sample volume.</a> Science. 339 (6119), 561-563 (2013).</li>
<li>Aslam, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+nuclear+magnetic+resonance+with+chemical+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Nanoscale nuclear magnetic resonance with chemical resolution.</a> Science. 357 (6346), 67-71 (2017).</li>
</ol>

Autoren haben nichts preisgeben.

Die interne Struktur, Dynamik und Schwingungs-Spektroskopie von Wassermolekülen adsorbiert auf festen Oberflächen, wobei besonderes Augenmerk auf die Anzahl der Freiheitsgrade des Wasserstoffs, Sonde sind einige experimentelle Schritte von entscheidender Bedeutung, die in den folgenden Abschnitten besprochen.
Die Orbitale Bildgebung von Wassermolekülen erfolgt basierend auf zwei Hauptschritte. Erstens zu entkoppeln NaCl-Isolierfolien das Wasser elektronisch aus dem Substrat Au zweiter dem Orbi...

Die Wechselwirkungen von Wasser mit den Oberflächen von Festkörpern engagieren sich in verschiedenen Oberflächenreaktion Prozesse, z. B. heterogene Katalyse, Ladungszustand, Elektrochemie, Korrosion und Schmierung Et al. 1 , 2 , 3 im Allgemeinen um zu untersuchen, Grenzflächen Wasser, spektroskopische und Beugung Techniken werden häufig verwendet, wie Infrarot und Raman-Spektroskopie, Summe-Frequenz Generation (SFG), Röntgendiffraktometrie (XRD), Kernspinresonanz (NMR), Neutron Streuung4,5,6,7,8. Diese Methoden leiden jedoch die Einschränkung der räumlichen Auflösung, spektralen Verbreiterung und durchschnittlich Effekte.
STM ist eine vielversprechende Technik, diese Beschränkungen zu überwinden, verbindet die Sub-Ångström Ortsauflösung, atomare Manipulation und einzelne Bindung Schwingungs Empfindlichkeit9,10,11,12 , 13 , 14. seit Anfang dieses Jahrhunderts, STM ausgiebig zur Untersuchung der Struktur und Dynamik von Wasser auf festen Oberflächen3,15,16,17, angewendet wurde 18,19,20. Darüber hinaus konnte Schwingungs-Spektroskopie basierend auf STM aus der zweiten Ableitung differenzielle tunneling Leitwert abgerufen werden (d2ich / DV-2), auch bekannt als inelastische Elektron tunneling-Spektroskopie (IETS). Die interne Struktur, d.h. die H-Bindung Direktionalität zu lösen und den Erwerb von zuverlässigen Schwingungs-Spektroskopie des Wassers sind jedoch immer noch herausfordernd. Die größte Schwierigkeit liegt darin, dass Wasser ein enger Shell-Molekül ist deren Grenze Orbitale weit entfernt von der E-Fsind, so können die Elektronen von der STM Spitze kaum tunnel in die molekulare Resonanz Zustände von Wasser, was zu schlechten Signal-Rausch-Verhältnis Molekulare Bildgebung und Schwingungs-Spektroskopie.
Wasser adsorbiert an der Au-gestützte NaCl(001) Filme bietet ein ideales System für die Untersuchung atomarer Skala von STM mit Cl-terminierte Spitze (Abbildung 1(ein), die bei 5 K im-Ultrahochvakuum (UHV) Umfeld mit einem Basisdruck durchgeführt wird besser als 8 × 10-11 Mbar. Auf der einen Seite entkoppeln die Isolierfolien NaCl Wassermoleküle elektronisch vom Substrat Au so native Grenze Orbitale des Wassers erhalten bleiben und die Lebensdauer der Elektronen, die ihren Wohnsitz in die molekulare Resonanz Staat wird verlängert. Auf der anderen Seite könnte die STM Spitze effektiv tune der Frontier-Orbital des Wassers in Richtung E-F per Tipp-Wasser-Kupplung, vor allem, wenn die Spitze mit einem Cl-Atom funktionalisiert wird. Diese wichtigen Schritte ermöglichen hochauflösende orbital Bildgebung und Schwingungs-Spektroskopie Wasser Monomere und Cluster. Darüber hinaus können Wassermoleküle gut kontrollierte Art und Weise, durch die starke elektrostatische Wechselwirkung zwischen den negativ geladenen Cl-Tip und Wasser manipuliert werden.
In diesem Bericht werden die Verfahren der Vorbereitung der Probe und der Cl-terminierte Tipp für STM Untersuchung bzw. in Abschnitt 1 und 2, detailliert beschrieben. In Abschnitt 3 beschreiben wir die Orbital bildgebende Verfahren, mit denen die O-H Direktionalität Wasser Monomer und Tetramer werden aufgelöst. Die Tipp-enhanced IETS ist in Abschnitt 4 eingeführt, ermöglicht die Erkennung von Schwingungs-Modi von Wassermolekülen an einzelne Bindung Grenze und Bestimmung des H-Klebekraft mit hoher Genauigkeit aus der Rotverschiebung in der Sauerstoff-Wasserstoff-Dehnung Frequenz des Wassers. In Abschnitt 5 zeigen wir wie Wasser Tetramer konstruiert und durch kontrollierte Tipp Manipulation geschaltet werden kann. Basierend auf der orbital Imaging, Spektroskopie und Manipulationstechniken, können isotopische Ersatz Experimente durchgeführt werden, um die Quantennatur der Protonen im Grenzflächen Wasser wie Quantum tunneling und Null-Punkt-Bewegung zu erforschen.

<table><tbody><tr><td>Au(111)-Einkristall</td><td>MaTeck</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>NaCl</td><td>Sigma Aldrich</td><td>450006</td><td></td></tr><tr><td>Wasser, deuteriumabgereichert&nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>195294</td><td></td></tr><tr><td>Deuteriumoxid&nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>364312</td><td></td></tr><tr><td>Abgedichtete Glas-UHV-Adapter</td><td>MDC-Vakuumprodukte</td><td>46300</td><td></td></tr><tr><td>Membrandichtventil</td><td>beliebig</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Faltenbalgdichtventil</td><td>beliebig</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Leckventil</td><td>Kurt J. Lesker&nbsp;</td><td></td><td></td>NA</tr><tr><td>Rastertunnelmikroskopie</td><td>CreaTec</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Elektronische Steuerung.</td><td>Nanonis&nbsp;</td><td></td><td></td>NA</tr><tr><td>Wolframdraht</td><td>beliebiger</td><td></td><td>Durchmesser: 0,3 mm; Reinheit: 99,95%</td></tr></tbody></table>

erforschung der struktur und dynamik von grenzflächen wasser mit scanning tunneling-mikroskopie und spektroskopie

Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

Wasser/Feststoff-Schnittstellen sind allgegenwärtig und spielen eine Schlüsselrolle in vielen ökologischen, biophysikalische und technologischen Prozessen. Lösung der internen Struktur und sondieren die Wasserstoffbrücken (H-Bindung) Dynamik der Wassermoleküle auf festen Oberflächen adsorbiert werden Grundfragen der Wasser-Wissenschaft, die eine große Herausforderung aufgrund der leichte Masse und der geringen Größe des Wasserstoffs bleibt. Scanning tunneling Microscopy (STM) ist ein viel versprechendes Instrument für den Angriff auf diese Probleme, dank seine Fähigkeiten des Sub-Ångström Ortsauflösung, einzelne Bindung Schwingungs Sensibilität und atomare/Molekulare Manipulation. Das gestaltete experimentelle System besteht aus einem Cl-terminierte Tipp und eine Probe von Wasser Moleküle in Situ auf der Au (111) Dosierung hergestellt-unterstützt NaCl(001) Oberflächen. NaCl-Isolierfolien entkoppeln elektronisch das Wasser aus den metallischen Substraten, so dass die innere Grenze Orbitale von Wassermolekülen erhalten sind. Die Cl-Spitze erleichtert die Manipulation von einzelnen Wassermoleküle sowie Anspritzung Orbitale des Wassers in die Nähe des Fermi-Niveaus (EF) über Tipp-Wasser-Kupplung. Dieses Papier beschreibt die detaillierte Methoden der submolekulare Auflösung, Molekulare/atomic Manipulation und einzelne Bindung Schwingungs-Spektroskopie von Grenzflächen Wasser. Diese Studien eröffnen eine neue Route für die Untersuchung der H-gebundenen Systeme auf atomarer Skala.

Abbildung 1 eine zeigt die schematische Darstellung der Versuchsanordnung STM. Erstens ist Au(111) Substrat durch Sputtern und Zyklen in der UHV-Kammer glühen gereinigt. Das saubere Au(111) Beispiel zeigt 22 × √3 rekonstruierten Oberfläche, wo die Atome der Oberflächenschicht zu besetzen, die Hcp und die fcc-Standorte bilden Fischgräten Strukturen (kleines Foto von Abbildung 1b). Die NaCl wird au...

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um die Struktur und Dynamik der Grenzflächen Wasser auf atomarer Skala, in Bezug auf die submolekulare Auflösung, Molekulare Manipulation und einzelne Bindung Schwingungs-Spektroskopie untersuchen.

Erforschung der Struktur und Dynamik von Grenzflächen Wasser mit Scanning Tunneling-Mikroskopie und Spektroskopie

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal ...

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die Struktur und Dynamik von Grenzflächenwasser auf atomarer Skala mit Hilfe von submolekularer Auflösung, molekularer Manipulation und Einfachbindungs-Schwingungsspektroskopie zu untersuchen. Diese Methode kann dazu beitragen, grundlegende Fragen der Wasserwissenschaft zu beantworten, wie z. B. die Identifizierung der Wasserstoffbrückenbindung und der Richtungsabhängigkeit von Wasser sowie die Untersuchung der Dynamik von Wasserstoffbrückenbindungen und der Schwingungsspektroskopie von Wassermolekülen, wie sie auf festen Oberflächen gezeigt werden. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass STM die Fähigkeit der räumlichen Auflösung unter Angström, der atomaren Manipulation und der Schwingungsempfindlichkeit einer Einzelbindung kombiniert.Abgesehen davon, dass es Einblicke in die Struktur, Dynamik und nuklearen Quanteneffekte von Oberflächenwasser bietet, kann es auch auf komplexere und realistischere Wasserstoffbrückenbindungssysteme wie eingeschlossenes Wasser, Buck Eyes, Mehrschichtwasser und Wasserwasserstoffsysteme angewendet werden. Befolgen Sie zunächst das begleitende Textprotokoll, um den Gold-111-Einkristall mit Hilfe von Argonionen-Sputtern und anschließendem Glühen zu reinigen. Legen Sie Natriumchlorid auf die Oberfläche des Goldkristalls und übertragen Sie es dann in den Scan-Tisch einer STM-Einrichtung.Überprüfen Sie mit Standard-STM-Techniken die Abdeckung und Größe der zweischichtigen Augenlinse aus Natriumchlorid 001 auf dem Substrat Gold 111. Die Ergebnisse sollten ähnlich aussehen wie die hier gezeigten. Reinigen Sie anschließend das Wasser mit Gefrier-, Pump- und Auftauzyklen, um alle verbleibenden Verunreinigungen zu entfernen.Pumpen Sie die Gasleitung auf 10 bis minus fünf Pascal und frieren Sie dann das flüssige Wasser mit flüssigem Stickstoff ein. Schließen Sie nun das mit dem Faltenbalg abgedichtete Ventil und lassen Sie die Gasleitung unter Vakuum. Öffnen Sie dann das Membrandichtventil und lassen Sie den Wasserdampf in die Gasleitung fließen.Senken Sie dann die Temperatur der Probe auf fünf Kelvin. Öffnen Sie das Leckageventil langsam, um den Druck der Ultrahochvakuum-STM-Kammer auf zweimal 10 bis minus 10 Millibar ansteigen zu lassen. Öffnen Sie anschließend den Verschluss.Dosieren Sie die Wassermoleküle eine Minute lang auf die goldgestützte Natriumchlorid-Oberfläche. Schließen Sie dann den Verschluss und das Leckageventil. Überprüfen Sie an dieser Stelle die Bedeckung der Wassermoleküle auf der Oberfläche mit Standard-STM-Techniken.Erwarten Sie isolierte Wassermonomere auf der Probenoberfläche. Stellen Sie zunächst eine elektrochemisch geätzte Wolframspitze her, ätzen Sie sie in drei molaren Natriumhydroxid und reinigen Sie sie dann mit destilliertem Wasser und Ethanol, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben. Als nächstes legen Sie Spannungsimpulse und kontrollierte Crash-Verfahren an die STM-Spitze an, bis die atomaren Chloratome der Natriumchloridoberfläche aufgelöst sind.Positionieren Sie dann die STM-Spitze über der Mitte eines der Chloratome und bringen Sie die blanke Spitze nahe an die Natriumchloridoberfläche in die Nähe des Sollwerts. Ziehen Sie dann die Spitze auf den ursprünglichen Sollwert zurück und scannen Sie denselben Bereich. Überprüfen Sie, ob sich ein Chloratom an der Spitze festgesetzt hat, indem Sie sowohl die verbesserte Auflösung als auch das fehlende Chloratom im STM-Bild visualisieren.Richten Sie zunächst das Biospektroskopie-Modul ein. Wählen Sie den Strom, den differenziellen Leitwert, die Ableitung der differentiellen Leitfähigkeitskanäle aus. Stellen Sie dann die Einstellzeit auf 50 Millisekunden und die Integrationszeit auf 300 Millisekunden ein.Die Spektrotunnelspektroskopie und die inelastische Elektrotunnelspektroskopie werden gleichzeitig mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers erfasst, indem die erste bzw. zweite Harmonische des Tunnelstroms moduliert wird. Erhöhen Sie die Integrationszeit und die Sweep-Zeiten nach Bedarf, um glatte Spektren zu erhalten. Stellen Sie dann den Z-Offset so ein, dass die Biospektroskopie bei unterschiedlichen Spitzenhöhen durchgeführt wird.Öffnen Sie dann den Lock-In, modulieren Sie die Vorspannung und demodulieren Sie den Strom. Stellen Sie die Modulationsfrequenz auf einige hundert Hertz und die Modulationsamplitude auf fünf bis sieben Millivolt ein. Stellen Sie nach dem Einstellen der Modulationsfrequenz sicher, dass bei der Sollfrequenz und der entsprechenden zweiten Harmonischen kein mechanisches und elektronisches Rauschen auftritt.Um die erste Oberschwingungsphase einzustellen, wechseln Sie zunächst auf das Z-Controller-Modul. Stellen Sie den Spitzenhub auf 10 Nanometer ein und schalten Sie das Feedback aus, wechseln Sie dann zum Lock-in-Modul und aktivieren Sie die Lock-in-Taste. Klicken Sie auf die erste harmonische Auto-Phase und nehmen Sie die Phase auf.Wiederholen Sie die Autophase mindestens fünfmal und nehmen Sie den Mittelwert. Subtrahieren Sie dann 90 Grad von der gemittelten Phase, um die Phase der Verbindung zu erhalten. Stellen Sie als nächstes die zweite harmonische Phase ein.Positionieren Sie dazu die STM-Spitze auf dem Goldsubstrat und starten Sie den Biospektroskopie-Sweep von minus einem Volt auf ein Volt. Wählen Sie dann den differentiellen Leitwertkanal LI X 1 und die Funktion dY/dX, die zusammen die Ableitung von DI über DV Spektrum zeigen. Suchen Sie ein markantes Peak-Merkmal im Spektrum und stellen Sie die entsprechende Energie als Bias ein.Schalten Sie anschließend die Sperre ein und halten Sie das STM-System im Tunneling-Modus. Klicken Sie mindestens fünfmal auf die zweite harmonische Autophase und nehmen Sie den Durchschnitt. Um zu beginnen, scannen Sie das Wassermonomer mit der Chloratomspitze.Positionieren Sie dann die Spitze auf der Natriumchlorid-Oberfläche und nehmen Sie die Biospektroskopie als Hintergrundsignal. Positionieren Sie anschließend die Spitze auf dem Wassermonomer und starten Sie den Biospektroskopie-Sweep. Wenn das dI/dV und das zweite abgeleitete Spektren von Wasser strukturlos sind, folgen Sie einfach der mit Natriumchlorid beschichteten Hintergrundoberfläche und verringern Sie dann die Spitzenhöhe, indem Sie den Z-Versatz einstellen, bis die Schwingungsmerkmale in den Spektren auftauchen.Um mit der Konstruktion eines Wassertetramers zu beginnen, suchen Sie zunächst nach einem Bereich mit vier Wassermonomeren und positionieren Sie die Chlorspitze auf einem Monomer bei einem Sollwert von V gleich 100 Millivolt und I gleich 50 Pikoampere. Verringern Sie die Höhe, so dass die Spannung 10 Millivolt und der Strom 150 Pikoampere beträgt. Dies verbessert die Wechselwirkung mit dem Spitzenwasser.Bewegen Sie als Nächstes die Spitze des Chloratoms entlang der vorgegebenen Bahnen. Ziehen Sie dann die Spitze auf ihren ursprünglichen Sollwert zurück und scannen Sie denselben Bereich erneut, um zu überprüfen, ob das Wasserdimer gebildet ist. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis ein Wassertrimer und schließlich ein Tetramer gebildet sind.Das Tetramer enthält zwei entartete chirale Zustände. Gegen den Uhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn geklebte H-Schlaufen. Wenn die am Chloratom abgeschlossene Spitze abgesenkt wird, springt der repräsentative Strom herum, wenn das Tetramer zwischen dem Uhrzeigersinn- und dem Anti-Uhrzeigersinn-Zustand wechselt.Beim Zurückziehen der Spitze auf die ursprüngliche Höhe wird das hier gezeigte Tetramer im Zustand gegen den Uhrzeigersinn belassen. Die Schaltraten zwischen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn können aus der Strom-Zeit-Spur extrahiert werden, um die Lebensdauerverteilung eines Tetramers zu zeigen. Das im Uhrzeigersinn stehende Tetramer kann durch einen exponentiellen Zerfall angepasst werden.Um den Mechanismus des Protonentransfers im Tetramer zu untersuchen, wird hier der Effekt der vollständigen und partiellen Isotopensubstitution auf das Chiralitätsschalten beschrieben. Auffallend ist, dass die Chiralitätsschaltrate der vier Wassertetramere erheblich reduziert wird, indem ein einzelnes Wassermolekül durch Deuteriumoxid ersetzt wird. Fast auf dem gleichen Niveau wie die vier Deuteriumoxid-Tetramere.Bei der Durchführung des Verfahrens zur Manipulation und Schwingungsspektroskopie ist es wichtig, daran zu denken, die STM-Spitze mit einem einzelnen Chloratom zu funktionalisieren. Diese Technologie bietet Oberflächenzeichen, eine geniale Methode, um die detaillierte Topologie des Wasserstoffbrückennetzwerks und die Quantenbewegungen von Protonen in Wasserclustern auf atomarer Ebene zu untersuchen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man die Richtungsabhängigkeit von Wasserstoffbrückenbrücken mittels optografischer Bildgebung identifizieren kann.Sie sollten auch verstehen, wie man die Schwingungsspektroskopie auf eine einzige Bindungsgrenze drückt und wie man Wassermoleküle kontrolliert manipuliert.

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Forschung

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Chemie

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