構造と走査型トンネル顕微鏡および分光法による界面の水のダイナミクスを調べる

この実験の全体的な目標は、サブ分子分解能イメージング、分子操作、および単結合振動分光法を使用して、界面水の構造とダイナミクスを原子スケールで調査することです。この手法は、水の水素結合や方向性の同定、固体表面に示される水分子の水素結合ダイナミクスや振動分光法の解明など、水科学の根本的な課題を解くのに役立ちます。この手法の主な利点は、STMがサブオングストローム空間分解能、原子操作、および単結合振動感度の能力を兼ね備えていることです。

表層水の構造、ダイナミクス、核量子効果に関する洞察を提供するだけでなく、閉じ込められた水、バックアイ、多層水、水水素システムなど、より複雑で現実的な水素結合システムにも適用できます。まず、付属のテキストプロトコルに従って、アルゴンイオンスパッタリングとその後のアニールのサイクルを使用して金111単結晶を洗浄します。金結晶の表面に塩化ナトリウムを堆積させ、STMセットアップのスキャンステージに移します。

標準的なSTM技術を使用して、金111基板上の二重層塩化ナトリウム001アイレンズのカバレッジとサイズを確認します。結果はここに示すようなものになるはずです。次に、凍結、ポンプ、解凍のサイクルを使用して水を精製し、残っている不純物を取り除きます。

ガスラインをマイナス5パスカルの10にポンプで送り、次に液体窒素で液体水を凍結します。次に、ベローズシールバルブを閉じ、ガスラインを真空下に置きます。次に、ダイヤフラムシールバルブを開き、水蒸気をガスラインに充填します。

次に、サンプルの温度を5ケルビンに下げます。リークバルブをゆっくりと開くと、超高真空STMチャンバーの圧力が10のマイナス10ミリバールの2倍に増加します。次にシャッターを開けます。

金で支持された塩化ナトリウムの表面に水分子を1分間投与します。次に、シャッターとリークバルブを閉じます。この時点で、標準的なSTM技術を使用して、表面上の水分子の被覆率を確認します。

サンプル表面に分離された水モノマーが見られることを期待してください。まず、電気化学的にエッチングされたタングステンチップを作製し、3モルの水酸化ナトリウムでエッチングした後、付属のテキストプロトコルに記載されているように蒸留水とエタノールを使用して洗浄します。次に、塩化ナトリウム表面の原子状塩素原子が分解されるまで、STMチップに電圧パルスと制御されたクラッシュ手順を印加します。

次に、STMチップを塩素原子の1つの中心に置き、裸のチップをセットポイントに近接して塩化ナトリウム表面に近づけます。次に、先端を元の設定点まで引っ込めて、同じ領域をスキャンします。こて先に塩素原子が付着していることを確認するために、解像度が向上した分と欠落している塩素原子の両方をSTM画像で可視化します。

まず、バイオスペクトロスコープモジュールを設定します。電流、微分コンダクタンス、微分コンダクタンスチャネルの導関数を選択します。次に、設定時間を 50 ミリ秒に、積分時間を 300 ミリ秒に調整します。

分光トンネル分光法と非弾性電気トンネル分光法は、トンネル電流の第1高調波と第2高調波をそれぞれ変調することにより、ロックインアンプを使用して同時に取得されます。必要に応じて積分時間とスイープ時間を増やして、滑らかなスペクトルを取得します。次に、Zオフセットを調整して、さまざまな先端の高さで生物分光法を行います。

次に、ロックインを開き、バイアスを変調し、電流を復調します。変調周波数を数百ヘルツに設定し、変調振幅を5〜7ミリボルトに設定します。変調周波数を設定した後、設定点周波数と対応する第2高調波周波数に機械的および電子的なノイズがないことを確認してください。

最初の高調波位相を設定するには、まずZコントローラーモジュールに切り替えます。チップリフトを10ナノメートルに設定し、フィードバックをオフにしてから、ロックインモジュールに切り替えてロックインボタンをオンにします。最初の高調波自動位相をクリックし、位相を録音します。

自動フェーズを少なくとも 5 回繰り返し、平均を取ります。次に、平均化された位相から90度を差し引いて、接合の位相を求めます。次に、第2高調波位相を設定します。

これを実現するには、STMチップを金基板上に置き、マイナス1ボルトから1ボルトへのバイオスペクトロスイープを開始します。次に、微分コンダクタンスチャネルLI X 1と、DVスペクトル上のDIの導関数を示す関数dY/dXを選択します。スペクトル内の顕著なピーク特徴を見つけ、対応するエネルギーをバイアスとして設定します。

次に、ロックインをオンにし、STMシステムをトンネリングモードに保ちます。第2高調波自動位相を少なくとも5回クリックし、平均を取ります。まず、塩素原子の先端で水モノマーをスキャンします。

次に、先端を塩化ナトリウム表面に置き、バイオスペクトロスコープをバックグラウンドシグナルとして使用します。次に、先端を水モノマーに置き、バイオスペクトロスコープのスイープを開始します。水のdI / dVと2次微分スペクトルに特徴がない場合は、背景の塩化ナトリウムコーティング表面をたどり、振動の特徴がスペクトルに現れるまでZオフセットを調整して先端の高さを下げます。

水テトラマーの構築を開始するには、まず 4 つの水モノマーを含む領域をスキャンし、モノマーの上に塩素チップを V の設定値 100 ミリボルト、I が 50 ピコアンペアに等しい位置に配置します。電圧が10ミリボルト、電流が150ピコアンペアになるように高さを下げます。これにより、先端の水との相互作用が強化されます。

次に、事前に設計された軌道に沿って塩素原子の先端を動かします。次に、先端を初期設定点まで引っ込め、同じ領域を再スキャンして、水二量体が形成されていることを確認します。このプロセスを繰り返して、水三量体、最終的には四量体が形成されます。

四量体には、2つの縮退キラル状態が含まれています。反時計回り、時計回りのHボンデッドループ。塩素原子末端の先端が下がると、四量体が時計回りと反時計回りの状態の間で変化すると、代表的な電流が跳ね返ります。

先端を元の高さまで引っ込めると、ここに示されている四量体は反時計回りの状態のままになります。時計回りと反時計回りのスイッチングレートは、電流対時間トレースから抽出して、四量体の寿命分布を示すことができます。時計回りの四量体は、指数関数的な減衰によって適合させることができます。

ここでは、四量体におけるプロトン移動のメカニズムを探るために、キラリティスイッチングに対する完全同位体置換および部分同位体置換の影響について説明します。驚くべきことに、4つの水四量体のキラリティスイッチング速度は、単一の水分子を酸化重水素に置き換えることによって大幅に減少します。4つの酸化重水素四量体とほぼ同じレベルまで。

マニピュレーションと振動分光法の手順を実行する際には、STMチップを単一の塩素原子で機能化することを忘れないようにすることが重要です。この技術は、水素結合ネットワークの詳細なトポロジーと水クラスター内の陽子の量子運動を原子スケールで探索するための独創的な方法を表面標識に提供します。このビデオを見れば、オプトイメージングによる水素結合の方向性の特定方法について十分に理解できるはずです。

また、振動分光法を単一結合の限界まで下げる方法と、制御された方法で水分子を操作する方法も理解する必要があります。