Sonderen de structuur en de dynamiek van Interfaciale Water met Scanning Tunneling microscopie en spectroscopie

Het algemene doel van dit experiment is om de structuur en dynamica van grensvlakwater op atomische schaal te onderzoeken met behulp van beeldvorming met submoleculaire resolutie, moleculaire manipulatie en vibratiespectroscopie van enkele bindingen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van fundamentele vraagstukken over waterwetenschap, zoals het identificeren van de waterstofbinding en de richting ervan, en het onderzoeken van de dynamica van de waterstofbinding en de vibratiespectroscopie van watermoleculen zoals getoond op vaste oppervlakken. Het grote voordeel van deze techniek is dat STM de mogelijkheid combineert van sub-angström ruimtelijke resolutie, atoommanipulatie en vibratiegevoeligheid van enkele bindingen.

Naast het bieden van inzicht in de structuur, dynamica en nucleaire kwantumeffecten van oppervlaktewater, kan het ook worden toegepast op complexere en realistischere waterstofbindingssystemen zoals beperkt water, boekenogen, meerlaags water en waterwaterstofsystemen. Om te beginnen, volg het bijbehorende tekstprotocol om de gouden 111-enkelkristal te reinigen met cycli van argonionensputtering en daaropvolgende gloeiing. Deponeer natriumchloride op het oppervlak van de gouden kristal en breng het vervolgens over naar de scanfase van een STM-opstelling.

Gebruik standaard STM-technieken om de dekking en grootte van de bi-laag natriumchloride 001-ooglens op het gouden 111-substraat te controleren. De resultaten zouden er ongeveer zo uit moeten zien als hier getoond. Zuiver vervolgens het water met behulp van vries-, pomp-, ontdooicycli om eventuele resterende onzuiverheden te verwijderen.

Pomp de gasleiding naar 10 tot min vijf pascal en bevries vervolgens het vloeibare water met vloeibaar stikstof. Sluit nu de met een bel verzegeld klep en laat de gasleiding onder vacuüm. Open vervolgens de met een membraan verzegeld klep en laat het waterdamp de gasleiding vullen.

Verlaag vervolgens de temperatuur van het monster tot vijf kelvin. Open langzaam de leklap om de druk van de ultrahoge vacuüm STM-kamer te laten stijgen naar twee keer 10 tot de min 10de millibar. Open vervolgens de sluiter.

Dosering van watermoleculen op het goudondersteunde natriumchlorideoppervlak gedurende één minuut. Sluit vervolgens de sluiter en de leklap. Controleer op dit punt de dekking van watermoleculen op het oppervlak met behulp van standaard STM-technieken.

Verwacht geïsoleerde watermonomeren op het monsteroppervlak te zien. Om te beginnen, maak een elektrochemisch geëtste wolfraamtip, ëts deze in drie molare natriumhydroxide en reinig het vervolgens met behulp van gedestilleerd water en ethanol zoals beschreven in het bijbehorende tekstprotocol. Pas vervolgens spanningspulsen en gecontroleerde crashprocedures toe op de STM-tip totdat de atomen van het atoomchlorideoppervlak van het natriumchloride zijn opgelost.

Plaats vervolgens de STM-tip boven het centrum van een van de chlooratomen en breng de kale tip dicht bij het natriumchlorideoppervlak in de nabijheid met de ingestelde punt. Trek vervolgens de tip terug naar de oorspronkelijke ingestelde punt en scan hetzelfde gebied. Controleer of een chlooratoom aan de tip is bevestigd door zowel de verbeterde resolutie als het ontbrekende chlooratoom in het STM-beeld te visualiseren.

Om te beginnen, stelt u het biospectroscopiemodule in. Selecteer de stroom, de differentiële geleiding, de afgeleide van de differentiële geleidingkanalen. Stel vervolgens de insteltijd in op 50 milliseconden en de integratietijd op 300 milliseconden.

De spectrotunnelspectroscopie en de niet-elastische elektrotunnelspectroscopie worden gelijktijdig verkregen met behulp van een lock-in-versterker door de eerste en tweede harmonischen van de tunnelstroming respectievelijk te moduleren. Verhoog de integratietijd en veegtijden indien nodig om vloeiende spectra te verkrijgen. Stem vervolgens de Z-offset af om de biospectroscopie op verschillende tiphoogtes te nemen.

Open vervolgens de lock-in, moduleer de bias en demoduleer de stroom. Stel de modulatiefrequentie in op een paar honderd hertz en de modulatie-amplitude op vijf tot zeven millivolt. Zorg er na het instellen van de modulatiefrequentie voor dat er geen mechanische en elektronische ruis is op de ingestelde puntfrequentie en de bijbehorende tweede harmonische frequentie.

Om de fase van de eerste harmonische in te stellen, begint u met het overschakelen naar de Z-Controller-module. Stel de tiplift in op 10 nanometer en zet de feedback uit, schakel vervolgens over naar de lock-in-module en zet de lock-in-knop aan. Klik op de eerste harmonische automatische fase en neem de fase op.

Herhaal de automatische fase minstens vijf keer en neem het gemiddelde. Trek vervolgens 90 graden van het gemiddelde fase af om de fase van de junctie te krijgen. Stel vervolgens de fase van de tweede harmonische in.

Om dit te bereiken, plaats de STM-tip op het gouden substraat en start de biospectroscopie-sweep van min één volt tot één volt. Selecteer vervolgens het differentiële geleidingskanaal LI X 1 en de functie dY/dX die samen de afgeleide van het DI over het DV-spectrum laten zien. Zoek een prominent piekkenmerk in het spectrum en stel de bijbehorende energie in als bias.

Schakel vervolgens de lock-in in en houd het STM-systeem in de tunnelmodus. Klik minstens vijf keer op de tweede harmonische automatische fase en neem het gemiddelde. Om te beginnen, scant u het watermonomeer met de chlooratoomtip.

Plaats vervolgens de tip op het natriumchlorideoppervlak en neem de biospectroscopie op als achtergrondsignaal. Plaats vervolgens de tip op het watermonomeer en start de biospectroscopie-sweep. Als de dI/dV en tweede afgeleide spectra van water kenmerkloos zijn, volgt u eenvoudigweg het achtergrondoppervlak met natriumchloridecoating en verlaagt u vervolgens de tiphoogte door de Z-offset af te stellen totdat de vibratiekenmerken in de spectra verschijnen.

Om met de constructie van een watertetrameer te beginnen, scant u eerst naar een gebied dat vier watermonomeren bevat en plaatst u de chloortip op een monomeer op de ingestelde punt van V gelijk aan 100 millivolt en I gelijk aan 50 picoamperes. Verlaag de hoogte zodat de spanning 10 millivolt en de stroom 150 picoampere