מאמר שיטה

חיטוט את המבנה ואת הדינמיקה של מים פנים עם סריקה מיקרוסקופ מינהור וספקטרוסקופיה

DOI:

10.3791/57193

⸱

27 במאי 2018

 ,  ,  ,  ,  , 
1International Center for Quantum Materials, School of Physics, Peking University, 2Collaborative Innovation Center of Quantum Matter

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לחקור את המבנה ואת הדינמיקה של מים פנים את המשקל האטומי, מבחינת דימות ברזולוציה submolecular, מניפולציה מולקולרית, ספקטרוסקופיה הרטט קשר יחיד.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מים/מוצק ממשקים הם בכל מקום, תפקיד מפתח בתהליכים טכנולוגיים, biophysical סביבתיים רבים. פענוח המבנה הפנימי, בודק את הדינמיקה קשר מימן (H-בונד) של מולקולות מים הספוחה על משטחים מוצקים הן בעיות היסוד למדע מים, אשר נשאר אתגר גדול בשל האור המסה של גודל קטן של מימן. מיקרוסקופ מנהור סורק הוא כלי מבטיח לתקוף את הבעיות האלה, בזכות יכולותיו של רזולוציה מרחבית sub-Ångström, רגישות הרטט יחיד-בונד מניפולציה אטומי/מולקולרי. מערכת ניסויית מעוצב מורכב טיפ המסתיימת בקלרנית ו מדגם מפוברק על ידי מינון מים מולקולות בחיי עיר אל האיחוד האפריקני (111)-תמיכה NaCl(001) משטחים. הסרטים NaCl בידוד הזיווג אלקטרונית שבין המים מצעים מתכת, אז המסלולים הגבול הפנימי של מולקולות המים נשמרים. Cl-הטיפ מקלה על המניפולציה של מולקולות מים יחיד, וכן gating המסלולים של מים קרבתה של רמת פרמי (EF) באמצעות צימוד עצה-מים. המאמר מתאר את השיטות מפורט של הדמיה ברזולוציה submolecular, מניפולציה מולקולרית/אטומי ספקטרוסקופיה הרטט קשר יחיד של מים פנים. מחקרים אלו לפתוח מסלול חדש עבור חוקרים את המערכות בונדד H את המשקל האטומי.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

האינטראקציות של מים עם המשטחים של חומרים מוצקים מעורבים בתהליכי התגובה משטח שונים, כגון זרז הטרוגנית, photoconversion, אלקטרוכימיה, קורוזיה בויסות. ואח 1 , 2 , 3 באופן כללי, לחקור מים פנים, ספקטרוסקופיות ואת עקיפה הטכניקות משמשות, אינפרא אדום ו ספקטרוסקופיית ראמאן, סכום בתדר דור (שרפ"ג), רנטגן עקיפה (XRD), תהודה מגנטית גרעינית (NMR), נייטרון מפזרים4,5,6,7,8. עם זאת, שיטות אלה סובלים המגבלה של רזולוציה מרחבית, הרחבת ספקטרלי ממוצע של אפקטים.

ה-STM היא טכניקה מבטיח כדי להתגבר על מגבלות אלו, אשר משלבת את תת-Ångström רזולוציה מרחבית, מניפולציה אטומי, ואת הרגישות הרטט יחיד-בונד9,10,11,12 , 13 , 14. מאז תחילת המאה הזאת, STM בהרחבה הוחל לחקור את המבנה ואת הדינמיקה של מים על משטחים מוצקים3,15,16,17, 18,19,20. בנוסף, ספקטרוסקופיה הרטט המבוסס על ה-STM יכול להיות המתקבל נגזרת שנייה. מוליכות מינהור דיפרנציאלית (d2אני / dV2), המכונה גם ששינוי אלקטרון (ממסג) ספקטרוסקופית מנהור. עם זאת, פענוח המבנה הפנימי, קרי H-הקשר כיוון, ורכישת אמין הרטט ספקטרוסקופיה של מים הם עדיין מאתגר. הקושי העיקרי טמון בכך מים הוא מולקולה קרוב מעטפת, אורביטלי הגבול אשר רחוקים מן EF, ולכן האלקטרונים מהקצה ה-STM בקושי יכול מנהרה לתוך ארצות תהודה מולקולרית של מים, שמוביל יחס אות לרעש המסכן הדמיה מולקולרית ו ספקטרוסקופיה הרטט.

מים הספוחה בסרטים הנתמכות על-ידי Au NaCl(001) מספק מערכת אידיאלית עבור חקירה אטומי בקנה מידה של STM עם המסתיימת ב Cl-טיפ (איור 1), אשר מתבצע ב- 5 K בסביבה (UHV) על קוליים-ואקום עם לחץ הבסיס יותר טוב 8 × 10-11 mbar. מצד אחד, הזיווג הסרטים NaCl בידוד שבין מולקולות המים אלקטרונית מ המצע Au אז המסלולים הגבול מקורית של המים נשמרים והאריך אורך החיים של האלקטרונים המתגוררים המדינה תהודה מולקולרית. מצד שני, הקצה ה-STM ביעילות יכול לכוון את הגבול אורביטל של מים לכיוון EF באמצעות טיפ-מים, מצמד, במיוחד כאשר הטיפ הוא functionalized עם אטום Cl. השלבים מפתח מאפשרות דימות ברזולוציה מסלולית וספקטרוסקופיה הרטט של מים מונומרים ואשכולות. בנוסף, מולקולות המים יכול להיות מניפולציות בצורה מבוקרת היטב, בשל האינטראקציה אלקטרוסטטית חזק בין טעונים שלילית Cl-טיפ מים.

בדו ח זה, ההליכים הכנה של המדגם, הטיפ המסתיימת Cl לחקירה STM מתוארים בפירוט בסעיף 1 ו- 2, בהתאמה. בסעיף 3, נתאר את מסלולית הדמיה טכניקה, שבו נפתרות O-H. הכיוון של מונומר מים, tetramer. נותנת טיפ משופרת מוצג בסעיף 4, אשר מאפשר זיהוי הלטראלית של מולקולות מים-יחיד-בונד מגבלת ונחישות של כוח שטני של H עם רמת דיוק גבוהה של משמרת אדום ב מתיחה חמצן-מימן תדירות של מים. בסעיף 5, אנחנו מראים איך tetramer המים יכול להיות נבנה החליף על ידי מניפולציה עצה מבוקרת. בהתבסס על הדמיה מסלולית, ספקטרוסקופיה, טכניקות מניפולציה, ניתן לבצע החלפת איזוטרופי ניסויים כדי לחקור את הטבע קוונטית של פרוטונים במים פנים, כגון מינהור קוונטי ותנועה נקודת אפס.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הערה: הניסויים מתבצעים על מולקולות המים הספוחה ב- NaCl(001) הנתמכים על-ידי Au הסרט (איור 1) ב 5 K עם STM קריוגני (UHV) על קוליים-ואקום מצויד בבקר אלקטרוני Nanonis.

1. ייצור מדגם ניסיוני

  1. לנקות את הקריסטל יחיד Au(111)
    1. משאבת הגז כדי הלחץ של mbar-7 ~ 10, ואז לשטוף בצינור הגז בגז Ar. . העבירי את מחזור משאבה/סומק עבור שלוש פעמים
      הערה: בכל מחזור משאבה/סומק לוקח בערך 30 דקות.
    2. למלא את הגז גז Ar הלחץ של 2 בר, ובכך האוסר על האווירה לחדור דרך צינור הגז.
    3. לשים את הקריסטל Au(111) על הבמה מחמם, אשר מותקן על manipulator בבית הבליעה UHV (בסיס הלחץ של 1.4 × 10-10 mbar).
    4. לנקות את הקריסטל יחיד Au(111) במחזוריות של Ar+ יון sputtering למשך 15 דקות (p(Ar) = 5 × 10−5 mbar, 1.0 kV, 6 µA), חישול עוקבות כ 900 K במשך 5 דקות.
      הערה: מחזק הטמפרטורה צריכה להיות ירד לאט, אחרת צפיפות גבוהה של שלב קצוות יהוו על פני Au. 3 - 5 מחזורי sputtering/חישול משמשים בדרך כלל.
    5. להעביר את הדגימה Au(111) על הבמה סריקה של STM ולאחר לבדוק את הניקיון עם ה-STM (שיבוץ של איור 1b).
  2. בתצהיר של NaCl על המצע Au(111)
    1. דגה המקור NaCl. לאט לאט עלייה הנוכחי שהוחלו על התא קנודסן עד הטמפרטורה של המקור מגיע 670 ק דגה המקור NaCl מספר פעמים עד מתחת 4 × 10-9 mbar הלחץ של התא.
      הערה: הקצב הגובר של הזרם תלוי בקצב outgassing של מקור NaCl כדי לשמור על הלחץ של התא מתחת 1 × 10-8 mbar.
    2. שים המדגם Au(111) manipulator ולהתאים את המיקום של המדגם Au כדי להפוך את הדגימה פנים הצמצם של התא קנודסן.
      הערה: הטמפרטורה של המצע Au(111) יכול להיות ירד מטמפרטורת החדר (77-300 K) ב לצנן את הראש מניפולטור עם זרימה רצופה של חנקן נוזלי
    3. להגביר את הזרם שהוחלו על התא קנודסן עד הטמפרטורה של המקור מגיע 640 K, והנח את השטף אידוי לייצב במשך 5 דקות לפני פתיחת הצמצם.
    4. פתח הצמצם, להפקיד את NaCl על המדגם Au(111) שנערכה ב- 290 K למשך 2 דקות.
    5. להעביר את הדגימה NaCl הנתמכות על-ידי Au ה-STM סורק הבמה. בדוק את הכיסוי וגודל של האיים NaCl(001) bilayer על המצע Au(111) עם ה-STM (איור 1b).
  3. לטהר את המים תחת ואקום לפי מחזורים ההקפאה-משאבות-הפשרה21 כדי להסיר זיהומים הנותרים.
    1. להכין שלוש אטום-off-זכוכית-UHV מתאמי. למקם את המים H2O, D2O ו- D2O:HOD:H2O תערובת איזוטרופי פתרונות (2 מ"ל) שלושה מתאמים בנפרד, והר המתאמים בצינור הגז (איור 2).
      הערה: D2O:HOD:H2O איזוטרופי תערובות ניתן להשיג על ידי ערבוב של הנדסה גנטית H2O ו- D2O עם כמויות שוות תחת אולטראסאונד תנודה למשך 10 דקות.
    2. להקפיא את המים נוזלי עם חנקן נוזלי. ודא כי הגז נשאב את הלחץ של ~ 10 mbar-7 לפני ההקפאה.
    3. פתח את הסרעפת אטום השסטום ולהזרים את האווירה למשך 15 דקות. לאחר מכן סגור את השסתום אטום הסרעפת, להפשיר את הפתרון.
      הערה: בועות גז להתפתח מן הפתרון כאשר זה הוא מפשיר.
      התראה: תן קפואים להפשיר הממס בפני עצמו. מפשיר את הפתרון עם המים הרותחים עלול לגרום כלי זכוכית לשבור. כדי להקפיא הפשרת הפתרון במהירות, להחליף זכוכית-UHV מתאמי מתאמים מתכת-UHV, למרות הפתרון כלי מתכת בלתי נראה.
    4. חזור על צעדים 1.3.2-1.3.3 עד אין בועות גז להתפתח הפתרון ככל מפשירה הפתרון. . העבירי את מחזור ההקפאה-משאבות-הפשרה לפחות שלוש פעמים
    5. סגור את השסתום אטום המפוח ולהשאיר את הגז בואקום. ואז לפתוח את השסתום אטום הסרעפת, והנח את אדי המים למלא את הגז.
  4. מינון מים מולקולות ב באתרו על גבי משטח הדגימה
    1. להקטין את הטמפרטורה של המדגם 5 ק' פתח השסתום הדליפה לאט כדי להפוך את הלחץ של תא ה-STM UHV להגדיל את 2 × 10-10 mbar.
      הערה: מולקולות המים זורמים אל החדר UHV דרך הצינורית מינון, מה שמצביע על הצמצם של המגן. המרחק בין הצמצם המדגם (בתוך המגן) הוא כ- 6 ס מ. הלחץ הבסיסי של ה-STM קאמרית עדיפים 7 × 10-11 mbar. שיעור התצהיר הוא על bilayer 0.01 דקות-1.
    2. פתח את התריס. מנה את מולקולות המים על גבי המשטח NaCl הנתמכות על-ידי Au עבור 1 דקות. ואז לסגור את הצמצם של דליפת המסתם.
    3. בדוק את הכיסוי של מולקולות המים על פני השטח הנתמכות על-ידי Au NaCl(001) עם ה-STM. טופס מונומרים מבודד מים על פני מדגם (איור 1c).

2. הכנה של קצה המסתיימת בקלרנית

  1. לפברק של עצה electrochemically חרוט טונגסטן (W).
    1. מניחים תיל 0.3 מ מ W לתוך פתרון איכול NaOH מול/ליטר 3 טבילה באורך של-2 מ מ.
    2. 5 V dc פוטנציאליים חלות על החוט W ביחס אלקטרודה טבעת פלטינה מוכנס בתוך תמיסת NaOH.
    3. לעצור את תהליך חריטה כאשר החוט W מושעה נפל. לנקות את הטיפ W חרוט עם מים מזוקקים, אתנול. ואז להעביר את הטיפ W לתוך הסורק.
      הערה: המידע W electrochemically חרוט יכול לשמש במשך שנה אחת לפני חילופי.
  2. החל מתח פולסים (2-10 V) ומבוקר להתרסק הליכים (0.25-0.4 ננומטר) בקצה ה-STM עד האטומים האטום Cl של המשטח NaCl נפתרות.
    הערה: ה-STM הטיפ הוא הציץ על אזור נקי של פני השטח Au(111).
  3. מקמו את הטיפ STM במרכז האטום Cl אחד (איור 3). להביא את הטיפ STM חשופות קרוב לפני השטח NaCl בסמיכות עם נקודת קבע של V = 5 mV ו = 5 n A (איור 3ב').
  4. . משכי את הטיפ לנקודת הסט המקורי (איור 3c) ולסרוק באותו האזור. בדוק את הקניית Cl-הטיפ על ידי רזולוציה משופרת, אטום Cl חסר בתמונה ה-STM של NaCl (איור 3d-e).
    הערה: במקרים לא מוצלח לעתים תיתכן, לדוגמה, כאשר האטום Cl לא להעביר ה-STM או מספר האטומים Cl/נה לספוח על הקצה. אם הדבר יתרחש, חזור על השלבים 2.2-2.5.

3. מסלולית הדמיה של מונומר מים

  1. צורת הקצה ה-STM עם מתח דופק (2-10 V) ומבוקר קורסות (0.25-0.4 ננומטר) הליכים.
  2. לסרוק את מולקולות המים הספוחה על פני השטח NaCl(001) עם 10 ננומטר על ידי מסגרת nm 10-5 K...
  3. להתמקד אחד מונומר מים בודדים. ותקריב סריקה של מונומר מים בצורה שיטתית כפונקציות של הטיה (-400-400 mV) ומינהור את הנוכחי (pA 50-300).
    הערה: עם טיפ STM חשופות, הגבוה ביותר בשטחים (הומו) ומופיעות הנמוך ביותר ריקים ((סוג)) מולקולרית אורביטלי מים-הטיה חיובית ושלילית, בהתאמה22. ברגע הטיפ הוא המסתיימת בקלרנית, ההומו היחיד מתגלה (איור 4), התכונה (סוג) הוא לא ציין לאורך כל הטווח הסטייה נגיש (מ- 400 mV 400 mV). אפילו תחת מתח הסטייה גדולה יותר, מולקולות מים יהיה לא יציב בגלל עירור הרטט.

4. מולקולה בודדת הרטט ספקטרוסקופיה

  1. ההתקנה של מנעול דיגיטלי-in ו ספקטרוסקופיה הסטייה מודול (בקר אלקטרוני Nanonis)
    1. ההתקנה של מודול ספקטרוסקופיה הסטייה: בחר הנוכחי, LIX1 (אות dI/dV ספקטרה), LIX2 (d2אני / ספקטרה2 dV אות) ערוצים. לקבוע את הזמן הגדרה כמו 50 מילישניות, אינטגרציה זמן כמו גב' 300 להגדיל את שילוב הזמן והשעות לטאטא להשגת ספקטרום חלקה. כוונון ההיסט Z כדי לקחת את הסטייה ספקטרוסקופיה בגבהים שונים עצה. ודא Z-הבקר להגדיר חסימות lock-in פועל במהלך המדידה
      הערה: הגדרת זמן מוגדר כ: זמן ההמתנה לאחר שינוי הטיה לשלב הבא ולפני החל לרכוש את הנתונים כדי למנוע השפעה ארעית המושרה על ידי השינוי הסטייה. שילוב זמן מוגדר כ: הזמן במהלכו הם הנתונים רכשה, בממוצע.
    2. כיוונון של מודול הנעילה
      הערה: סריקה מינהור ספקטרוסקופיה, dI/dV ו- d2אני / ספקטרה2 dV, נרכשים בו זמנית באמצעות מגבר הנעילה על-ידי demodulating הראשון, השני הרמוניות של מנהרות הנוכחי, בהתאמה.
      1. לווסת את משוא הפנים, demodulate הנוכחי. הגדר תדירות אפנון כמו כמה מאות משרעת אפנון ו הרץ mV 5-7. ודא כי אין רעש מכני ואלקטרוני התדירות שנקבעה מראש, התדר המתאים הרמונית השני.
      2. להגדיר הרמונית השלב הראשון: לעבור המודול Z-בקר. הגדר את המעלית עצה 10 ננומטר, בטל את המשוב. עבור למודול הנעילה והפעל לחצן הנעילה (ירוק). לחץ על אוטומטית הרמונית הראשון שלב ולהקליט את השלב. חזור על שלב אוטומטי לפחות חמש פעמים ולקחת את הממוצע. ואז לחסר 90 מעלות מהשלב בממוצע כדי לקבל את השלב של הצומת.
      3. להגדיר את השלב השני הרמונית: מקם קצה STM על המצע Au(111), להתחיל בסריקה ספקטרוסקופיה הסטייה מן-1.5 V 1.5 נ' בחר בערוץ LIX 1 ולהראות לתפקד dY/dX, אשר יחד הנגזרת של ספקטרום dI/dV. למצוא תכונה הפסגה הבולטת בספקטרום ולהגדיר את האנרגיה המתאימה כמו הטיה. הפעלת הנעילה, לשמור על מערכת ה-STM ב- tunneling. לחץ על השלב השני הרמונית אוטומטית לפחות חמש פעמים ולקחת את הממוצע.
        הערה: מאז האותות הרמונית השני הם בדרך כלל מאוד חלש, השלב יכול להשתנות בפראות. כאשר הפחתת הגובה עצה כדי להגביר את עוצמת האות, התנודות של השלב יהיה הרבה יותר קטן (כמה מעלות) השלב השני הרמונית יהיה מדויק יותר.
  2. עצה משופרת ממסג של מונומר2O D
    1. סריקה של מונומר מים עם Cl-טיפ בנקודת סט של mV V = 100 ואני = 50 הפלסטינית.
    2. הצב Cl-הטיפ על פני השטח NaCl ולקחת את ספקטרוסקופיית הסטייה כאות רקע. לאחר מכן הצב Cl-הטיפ על מונומר מים, תתחיל לטאטא את הסטייה ספקטרוסקופיה.
    3. אם dI/dV ו- d2אני / dV ספקטרה2 של מים הן נכחדה, פשוט עקוב אחר המשטח NaCl רקע (כחול עקומות של איור 4c-d). להקטין את גובה הטיפ על ידי כוונון של Z לקזז עד התכונות הרטט להגיח הספקטרום (אדום עקומות של איור 4c-d).
      הערה: עבור המידה ממסג, תקופה ארוכה אינטגרציה (~ 1s) ו מטאטא מרובות נדרשים. עבור מים2O D מונומר, להגדיר את טווח הסטייה מ-360 mV 360 mV. H2O/הוד מים מונומרים, לטאטא את הטיית מ-475 mV כדי 475 mV. השוואת D2O, H2O והוד, מים מונומרים הם בקלות רבה יותר מופרע אפילו swept משם במהלך מאפשרת מדידה.
  3. H-בונד חוזק
    1. חזור על שלבים 4.2.2-4.2.3, לכוון את טווח הסטייה לטאטא להתמקד על מצב מתיחה של מונומרים מים. ממסג של מים D2O, H2O והוד הציג ודן 23.
    2. לקבל את האנרגיה H-מליטה על-ידי המרה הסחה לאדום של הו בונדד H מתיחה בתדר (יחסית האנרגיה חינם או מתיחה) באמצעות נוסחה אמפירית זו:
      ΔH = 1.3 × √Δv (1)
      הערה: ΔH האנרגית H-מליטה, kJ/mol; Δv הוא הסחה לאדום של או מתיחה מצב, ב ס מ-1. להמיר את יחידת הכוח H-מליטה תהליך מאת: 1kJ/mol = 10.4 תהליך/אטום. כדי להחיל הציוד 1 OD מתיחה מצב, יש להכפיל את כמות Δv בפקטור: v(OH) / v(OD) = 1.3612, v(OH) ו- v(OD) איפה הו ו OD מתיחה תדרים של המולקולה הוד חינם, בהתאמה.

5. מולקולרית מניפולציה

  1. בניית tetramer מים (איור 5)
    1. סרוק את אזור הכולל ארבעה מים מונומרים. מקם Cl-הטיפ על גבי מונומר בנקודת סט של mV V = 100 ואני = 50 הפלסטינית. להקטין את גובהם עד לנקודה סט של V = 10 mV ואני = 150 הרשות הפלסטינית כדי לשפר את האינטראקציה עצה-מים.
    2. להעביר Cl-הטיפ לאורך מסלולי מוגדרות מראש. ואז תמשוך את הטיפ לנקודה סט ראשוני (mV V = 100, אני = 50 pA), ו לסרוק מחדש באותו אזור כדי לבדוק דיימר מים נוצרת.
    3. חזור על 5.1.1-5.1.2 את השלבים כדי ליצור את המים trimer ואת tetramer.
      הערה: התהליך מניפולציה הנ ל יכול להיות ממומש על ידי הבקר Nanonis (סריקה שליטה-בצע לי מודול). התקנה של השליטה-בצע סריקה לי מודול:
      הטיה: 10 mV
      מהירות: 500 pm/s
      Setpoint Z ctrl: הרשות הפלסטינית 150
      מתג הפעלה/כיבוי Z Ctrl: ירוק
      זמן ההמתנה: 1s
      השג הנוכחי: בעוד 10 ^ 9
      נתיב: לחץ על לחצן ' הקלט ' ו ינסחו את מסלולי מעוצב על התמונה ולאחר מכן לחץ על הלחצן ' עצור '.
      לחץ על לחצן והפעלה, הקצה ה-STM ינועו לאורך מסלולי מוגדרות מראש עם setpoint מעקב אותי מודול. אם מונומר מים לא זזה, להקטין את גובה הטיפ (הטיה קטנים יותר, זרם גדול) במהלך מניפולציה.
  2. כיראליות מיתוג של tetramer מים (איור 6)
    1. סריקה של tetramer מים עם Cl-הקצה. לשנות את נקודת קבע mV V = 5, אני = 5 הרשות הפלסטינית, והצב את הטיפ מעט מחוץ למרכז tetramer מים.
    2. במודול Z-בקר, להגדיר מרחק כדי להרים את הטיפ כאשר Z-הבקר כבוי (למשל, עצה הרם:-230 pm). לבטל את המשוב Z-בקר. . תביא את הטיפ קרוב tetramer המים (~ 230 pm).
    3. רישום הסימן הנוכחי, אשר מציג שתי רמות שונות, המציין שאת tetramer עבר interconversion הפיך בין שתי H-מליטה כיראליות.
    4. יוצאים הנוכחי ברמה גבוהה ביותר, הפעילי את המשוב Z-בקר. . משכי את הטיפ לנקודה הסט המקורי (mV V = 5, אני = 5 הרשות הפלסטינית). ואז לסרוק את tetramer מים עם נקודת סט של V = 10 mV ואני = 100 הרשות הפלסטינית כדי לבדוק את מצב כיראלי tetramer מים.
    5. חזור על צעדים 5.2.1-5.2.4 לפחות 10 פעמים כדי לאשר המדינה כיראלי המקביל של מים tetramer ברמה הנוכחית גבוהה.
    6. חזור על צעדים 5.2.1-5.2.4 לפחות 10 פעמים, אבל תשאיר הנוכחי ברמה נמוכה כדי לבדוק את המדינה כיראלי המקביל של מים tetramer.
    7. להקליט את האיתור מינהור כעשרים דקות, המכיל כמה מאות אירועים מיתוג
    8. להתוות את ההתפלגות של פעמים tetramer בילה רמת נמוך וגבוה של המעקב הנוכחי, בהתאמה.
    9. התאם את ההתפלגות דעיכה מעריכית (איור 7). ואז מקבל הפעם מצויד מתמדת. הפוך קבוע הזמן להניב את קצב מיתוג.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

איור 1 ממחיש את הסכמה של ההתקנה ניסיוני ה-STM. ראשית, המצע Au(111) מנוקה על ידי התזה חישול מחזורים בבית הבליעה UHV. הדוגמה Au(111) נקי מראה 22 × √3 המשוחזרת השטח, שבו האטומים של שכבת פני השטח לכבוש את hcp והן את אתרי ה-fcc ויוצרים מבנים אדרה (שיבוץ של איור 1b). NaCl התאדו על המצע Au(111), ויוצרים bilayer איי (איור 1b). לאחר מכן מולקולות מים במינון ע...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כדי לחקור את המבנה הפנימי, דינמיקה ו ספקטרוסקופיה הרטט של מולקולות המים הספוחה על משטחים מוצקים, תשומת לב מיוחדת דרגות החופש של מימן, כמה צעדים ניסיוני בעלות חשיבות מכרעת, אשר יהיה דנו בפיסקאות הבאות.

ההדמיה מסלולית של מולקולות המים מושגת המבוסס על שני שלבים מרכזיים. ראשית, הסרטים NaCl בידוד הזיווג שבין המים אלקטרונית מ המצע Au, שנית אורביטל gating אפקט של קצה STM באמצעות צימוד עצה-מים. לגדול bilayer NaCl סרטים על המצע Au(111), הטמפרטורה של המצע Au(111) צריך להישאר בסביבות 290 ק כאשר הטמפרטורה...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

לעורכים יש דבר לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו ממומן על ידי ה-R המפתח הלאומית & D תוכנית תחת גרנט מס 2016YFA0300901 2016YFA0300903, 2017YFA0205003, הלאומי מדעי הטבע קרן של סין תחת גרנט מס 11634001, 11290162/A040106. Y.J. מאשר תמיכה על ידי קרן המדע הלאומית עבור חוקרים צעירים מכובד של צ'נג קונג צעיר מלומד תוכנית. ג'יי ג'י מאשר תמיכה פוסט-דוקטורט מהתוכנית הלאומית כשרונות חדשני.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
Au(111) גביש יחידMaTeckNA
NaClSigma Aldrich450006
מים, דאוטריום מדולל סיגמא אולדריץ'195294
תחמוצת דאוטריום Sigma Aldrich364312
מתאמי זכוכית-UHV אטומיםואקום MDC46300
שסתום אטום דיאפרגמהכלשסתום אטום מפוח NA
כל
קורט ג'יי לסקר 
מיקרוסקופ מנהור סריקתNA בקר אלקטרוני CreaTecNA
.ננוניס 
חוט טונגסטןבכלקוטר: 0.3 מ"מ; טוהר: 99.95%
מוצרי שסתום דליפת NA NA

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Thiel, P. A., Madey, T. E. The interaction of water with solid surfaces: Fundamental aspects. Surf. Sci. Rep. 7 (6-8), 211-385 (1987).
  2. Henderson, M. A. The interaction of water with solid surfaces: fundamental aspects revisited. Surf. Sci. Rep. 46 (1-8), 1-308 (2002).
  3. Hodgson, A., Haq, S. Water adsorption and the wetting of metal surfaces. Surf. Sci. Rep. 64 (9), 381-451 (2009).
  4. Brougham, D. F., Caciuffo, R., Horsewill, A. J. Coordinated proton tunnelling in a cyclic network of four hydrogen bonds in the solid state. Nature. 397 (6716), 241-243 (1999).
  5. Andreani, C., Colognesi, D., Mayers, J., Reiter, G. F., Senesi, R. Measurement of momentum distribution of light atoms and molecules in condensed matter systems using inelastic neutron scattering. Adv. Phys. 54 (5), 377-469 (2005).
  6. Shen, Y. R., Ostroverkhov, V. Sum-frequency vibrational spectroscopy on water interfaces: Polar orientation of water molecules at interfaces. Chem. Rev. 106 (4), 1140-1154 (2006).
  7. Soper, A. K., Benmore, C. J. Quantum differences between heavy and light water. Phys. Rev. Lett. 101 (6), 065502(2008).
  8. Kimmel, G. A., et al. Polarization- and azimuth-resolved infrared spectroscopy of water on TiO2(110): Anisotropy and the hydrogen-bonding network. J. Phys. Chem. Lett. 3 (6), 778-784 (2012).
  9. Eigler, D. M., Schweizer, E. K. Positioning single atoms with as a scanning tunneling microscope. Nature. 344 (6266), 524-526 (1990).
  10. Stroscio, J. A., Eigler, D. M. Atomic and molecular manipulation with the scanning tunneling microscope. Science. 254 (5036), 1319-1326 (1991).
  11. Stipe, B. C., Rezaei, M. A., Ho, W. Single-molecule vibrational spectroscopy and microscopy. Science. 280 (5370), 1732-1735 (1998).
  12. Ho, W. Single-molecule chemistry. J. Chem. Phys. 117 (24), 11033-11061 (2002).
  13. Repp, J., Meyer, G., Stojkovic, S. M., Gourdon, A., Joachim, C. Molecules on insulating films: Scanning-tunneling microscopy imaging of individual molecular orbitals. Phys. Rev. Lett. 94 (2), 026803(2005).
  14. Weiss, C., Wagner, C., Temirov, R., Tautz, F. S. Direct imaging of intermolecular bonds in scanning tunneling microscopy. J. Am. Chem. Soc. 132 (34), 11864-11865 (2010).
  15. Verdaguer, A., Sacha, G. M., Bluhm, H., Salmeron, M. Molecular structure of water at interfaces: Wetting at the nanometer scale. Chem. Rev. 106 (4), 1478-1510 (2006).
  16. Michaelides, A., Morgenstern, K. Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces. Nat. Mater. 6 (8), 597-601 (2007).
  17. Feibelman, P. J. The first wetting layer on a solid. Phys. Today. 63 (2), 34-39 (2010).
  18. Carrasco, J., Hodgson, A., Michaelides, A. A molecular perspective of water at metal interfaces. Nat. Mater. 11 (8), 667-674 (2012).
  19. Kumagai, T. Direct observation and control of hydrogen-bond dynamics using low-temperature scanning tunneling microscopy. Prog. Surf. Sci. 90 (3), 239-291 (2015).
  20. Maier, S., Salmeron, M. How does water wet a surface. Acc. Chem. Res. 48 (10), 2783-2790 (2015).
  21. JoVE Science Education Database. . Essentials of Organic Chemistry. Degassing Liquids with Freeze-Pump-Thaw Cycling. JoVE. , Cambridge, MA. (2017).
  22. Guo, J., et al. Real-space imaging of interfacial water with submolecular resolution. Nat. Mater. 13 (2), 184-189 (2014).
  23. Guo, J., et al. Nuclear quantum effects of hydrogen bonds probed by tip-enhanced inelastic electron tunneling. Science. 352 (6283), 321-325 (2016).
  24. Meng, X., et al. Direct visualization of concerted proton tunnelling in a water nanocluster. Nat. Phys. 11 (3), 235-239 (2015).
  25. Thuermer, K., Nie, S. Formation of hexagonal and cubic ice during low-temperature growth. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110 (29), 11757-11762 (2013).
  26. Shiotari, A., Sugimoto, Y. Ultrahigh-resolution imaging of water networks by atomic force microscopy. Nat. Commun. 8, (2017).
  27. Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy. Nat. Photonics. 4 (12), 869-874 (2010).
  28. Yoshida, S., et al. Probing ultrafast spin dynamics with optical pump-probe scanning tunnelling microscopy. Nat. Nanotechnol. 9 (8), 588-593 (2014).
  29. Mamin, H. J., et al. Nanoscale nuclear magnetic resonance with a nitrogen-vacancy spin sensor. Science. 339 (6119), 557-560 (2013).
  30. Staudacher, T., et al. Nuclear magnetic resonance spectroscopy on a (5-nanometer)3 sample volume. Science. 339 (6119), 561-563 (2013).
  31. Aslam, N., et al. Nanoscale nuclear magnetic resonance with chemical resolution. Science. 357 (6346), 67-71 (2017).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

NaCl 001 Au 111

מאמרים קשורים