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Chemistry

संरचना और स्कैनिंग सुरंग माइक्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ चेहरे का पानी की गतिशीलता की जांच

Published: May 27, 2018 doi: 10.3791/57193

Summary

यहां, हम एक प्रोटोकॉल मौजूद परमाणु पैमाने पर संरचना और चेहरे के पानी की गतिशीलता की जांच करने के लिए, उपआणविक संकल्प इमेजिंग, आणविक हेरफेर, और एकल बांड कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी के संदर्भ में ।

Abstract

पानी/ठोस इंटरफेस सर्वव्यापी है और कई पर्यावरणीय, भौतिक, और तकनीकी प्रक्रियाओं में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं । आंतरिक संरचना को हल करने और हाइड्रोजन-बांड (एच बांड) ठोस सतहों पर adsorbed पानी के अणुओं की गतिशीलता की जांच जल विज्ञान के बुनियादी मुद्दों, जो एक महान प्रकाश द्रव्यमान और हाइड्रोजन के छोटे आकार के कारण चुनौती बनी हुई है । स्कैनिंग सुरंगिंग माइक्रोस्कोपी (STM) इन समस्याओं पर हमला करने के लिए एक आशाजनक उपकरण है, उप की अपनी क्षमताओं-Ångström स्थानिक संकल्प, एकल बांड कंपन संवेदनशीलता के लिए धंयवाद, और परमाणु/ डिजाइन प्रयोगात्मक प्रणाली एक सीएल-समाप्त टिप और एक नमूना Au (111)-समर्थित NaCl (001) सतहों पर सीटू में पानी के अणुओं की खुराक द्वारा गढ़े के होते हैं । अछूता NaCl फिल्मों इलेक्ट्रॉनिक धातु सब्सट्रेट से पानी के जोड़े, तो पानी के अणुओं की आंतरिक सीमांत orbitals संरक्षित कर रहे हैं । सीएल-टिप एकल पानी के अणुओं के हेरफेर की सुविधा, साथ ही फर्मी स्तर की निकटता के लिए पानी की orbitals गेटिंग (ई) टिप के माध्यम से पानी युग्मन. यह कागज उपआणविक संकल्प इमेजिंग, आणविक/परमाणु हेरफेर, और चेहरे के पानी की एकल बांड कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी के विस्तृत तरीकों की रूपरेखा । इन अध्ययनों से परमाणु पैमाने पर एच-बांड सिस्टम की जांच के लिए एक नया मार्ग खुला ।

Introduction

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ठोस सामग्री की सतहों के साथ पानी की बातचीत विभिन्न सतह प्रतिक्रिया प्रक्रियाओं में शामिल हैं, जैसे विषम catalysis, photoconversion, electrochemistry, जंग और स्नेहन एट अल. 1 , 2 , 3 सामान्य में, चेहरे के पानी की जांच करने के लिए, स्पेक्ट्रोस्कोपी और विवर्तन तकनीक सामान्यतः अवरक्त और रमण स्पेक्ट्रोस्कोपी, sum-फ्रीक्वेंसी जनरेशन (SFG), एक्स-रे विवर्तन (XRD), नाभिकीय चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर), के रूप में उपयोग किया जाता है, न्यूट्रॉन कैटरिंग,,,,. हालांकि, इन तरीकों स्थानिक संकल्प की सीमा से ग्रस्त हैं, वर्णक्रम विस्तार, और औसत प्रभाव.

STM इन सीमाओं को दूर करने के लिए एक होनहार तकनीक है, जो उप-Ångström स्थानिक संकल्प को जोड़ती है, परमाणु हेरफेर, और एकल बांड कंपन संवेदनशीलता9,10,11,12 , 13 , 14. इस सदी की शुरुआत के बाद से, STM बड़े पैमाने पर ठोस सतहों पर पानी की संरचना और गतिशीलता की जांच करने के लिए लागू किया गया है3,15,16,17, 18,19,20. इसके अतिरिक्त, कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी STM पर आधारित दूसरी व्युत्पंन अंतर सुरंग कंडक्टर से प्राप्त किया जा सकता है (डी2I/dV2), भी लोचदार इलेक्ट्रॉन सुरंगिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी (IETS) के रूप में जाना जाता है । हालांकि, आंतरिक संरचना को हल करने, यानी एच बांड दिशात्मकता, और पानी की विश्वसनीय कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी प्राप्त करना अभी भी चुनौतीपूर्ण हैं । मुख्य कठिनाई यह है कि पानी में है एक करीबी खोल अणु, जिनकी सीमा orbitals अभी तक ईएफसे दूर हैं, इस प्रकार STM टिप से इलेक्ट्रॉनों शायद ही पानी की आणविक अनुनाद राज्यों में सुरंग कर सकते हैं, गरीब संकेत करने के लिए अग्रणी-शोर अनुपात आणविक इमेजिंग और कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी की.

Au-समर्थित NaCl (001) फिल्मों पर जल adsorbed एक सीएल-समाप्त टिप के साथ STM द्वारा परमाणु पैमाने पर जांच के लिए एक आदर्श प्रणाली प्रदान करता है (चित्रा 1), जो ultrahigh-वैक्यूम (UHV) वातावरण में 5 K पर किया जाता है एक आधार दबाव के साथ 8 × 10 से बेहतर-11 mbar । एक तरफ, अछूता NaCl फिल्मों के पानी के अणुओं को इलेक्ट्रॉनिक Au सब्सट्रेट से तो देशी पानी की सीमा orbitals संरक्षित कर रहे है और आणविक गुंजयमान राज्य में रहने वाले इलेक्ट्रॉनों के जीवनकाल लंबे समय तक है । दूसरी ओर, STM टिप प्रभावी ढंग से टिप-पानी युग्मन, खासकर जब टिप एक सीएल एटम के साथ कार्यात्मक है के माध्यम से ईएफ की ओर पानी की सीमा कक्षीय धुन सकता है । ये महत्वपूर्ण कदम उच्च-रिज़ॉल्यूशन कक्षीय इमेजिंग और वॉटर मोनोमर और क्लस्टर्स की कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी को सक्षम करते हैं । इसके अलावा, पानी के अणुओं को एक अच्छी तरह से नियंत्रित तरीके से हेरफेर किया जा सकता है, नकारात्मक चार्ज सीएल-टिप और पानी के बीच मजबूत इलेक्ट्रोस्टैटिक बातचीत के कारण ।

इस रिपोर्ट में, नमूने की तैयारी प्रक्रियाओं और सीएल-समाप्त टिप STM जांच के लिए खंड 1 और 2 में विस्तार से क्रमशः उल्लिखित हैं । सेक्शन 3 में हम ऑर्बिटर इमेजिंग तकनीक का वर्णन करते हैं, जिसके द्वारा वॉटर मोनोमर और tetramer के ओ-एच डायरेक्शन का समाधान किया जाता है । टिप-बढ़ाकर IETS धारा 4 में पेश किया है, जो एकल बांड सीमा पर पानी के अणुओं के कंपन मोड का पता लगाने की अनुमति देता है, और एच के दृढ़ संकल्प ऑक्सीजन में लाल बदलाव से उच्च सटीकता के साथ संबंध शक्ति-हाइड्रोजन खींच पानी की बारंबारता । धारा 5 में, हम बताते है कि कैसे जल tetramer का निर्माण किया जा सकता है और नियंत्रित टिप हेरफेर द्वारा बंद । कक्षीय इमेजिंग, स्पेक्ट्रोस्कोपी, और हेरफेर तकनीकों के आधार पर, isotopic प्रतिस्थापन प्रयोगों को चेहरे के पानी में प्रोटान की क्वांटम प्रकृति की जांच करने के लिए किया जा सकता है, जैसे कि क्वांटम सुरंगिंग और जीरो-पॉइंट गति ।

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Protocol

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नोट: प्रयोग पानी के अणुओं पर adsorbed पर प्रदर्शन कर रहे है Au समर्थित NaCl (001) फिल्म (चित्रा 1) 5 कश्मीर में एक ultrahigh-निर्वात (UHV) क्रायोजेनिक STM के साथ Nanonis इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रक के साथ सुसज्जित ।

1. प्रयोगात्मक नमूना का निर्माण

  1. क्लीन Au (111) एकल क्रिस्टल
    1. गैस लाइन को पंप के प्रेशर में ~ 10-7 mbar और फिर गैस लाइन को एआर गैस से फ्लश कर दीजिये । तीन बार के लिए पंप के माध्यम से रखो/
      नोट: प्रत्येक पंप/फ्लश चक्र के बारे में 30 मिनट लगते हैं ।
    2. 2 बार के दबाव के लिए एआर गैस के साथ गैस लाइन भरें, इस प्रकार गैस लाइन के माध्यम से वायुमंडल रिस निषेध ।
    3. Au (111) हीटर मंच है, जो UHV चैंबर में जोड़तोड़ पर मुहिम शुरू की है पर क्रिस्टल रखो (1.4 × 10 के आधार दबाव-10 mbar) ।
    4. Au (111) एकल क्रिस्टल को Ar+ आयन sputtering के चक्र द्वारा 15 मिनट के लिए साफ़ करें (p (Ar) = 5 × 10− 5 mbar, १.० केवी, 6 µA) और 5 मिनट के लिए लगभग ९०० K पर बाद में एनीलिंग ।
      नोट: एनीलिंग तापमान धीमी गति से कम किया जाना चाहिए, अंयथा कदम किनारों की एक उच्च घनत्व Au सतह पर बनेगी । 3-5 sputtering/एनीलिंग चक्र आमतौर पर इस्तेमाल किया जाता है ।
    5. Au (111) नमूना STM स्कैनिंग चरण में स्थानांतरित करें, और STM के साथ सफाई की जांच ( चित्रा 1बीकी इनसेट) ।
  2. Au (111) सब्सट्रेट पर NaCl के जमाव
    1. NaCl स्रोत Degas । धीरे नुडसन सेल पर लागू वर्तमान में वृद्धि जब तक स्रोत का तापमान ६७० K. Degas NaCl स्रोत कई बार जब तक चैंबर के दबाव से नीचे है 4 × 10-9 mbar ।
      नोट: वर्तमान की बढ़ती हुई दर 1 × 10-8 mbar के नीचे चैंबर के दबाव को बनाए रखने के लिए NaCl स्रोत की outgassing दर पर निर्भर करती है ।
    2. au (111) नमूना जोड़तोड़ पर रखो और au नमूना नमूना नुडसन कक्ष के शटर का सामना करने के लिए की स्थिति को समायोजित करें ।
      नोट: Au (111) सब्सट्रेट के तापमान कमरे के तापमान (77-300 K) नीचे तरल नाइट्रोजन की एक सतत प्रवाह के साथ जोड़ तोड़ सिर ठंडा द्वारा कम हो सकता है
    3. नुडसन सेल पर लागू वर्तमान बढ़ाएं जब तक स्रोत का तापमान ६४० K तक पहुंच जाता है, और वाष्पीकरण प्रवाह को शटर खोलने से पहले 5 मिनट के लिए स्थिर कर दें ।
    4. शटर खोलें और Au (111) के लिए 2 मिनट के लिए २९० K पर आयोजित नमूने पर NaCl जमा ।
    5. Au-समर्थित NaCl नमूना STM स्कैनिंग चरण में स्थानांतरित करें । कवरेज और bilayer NaCl (001) द्वीपों पर Au (111) STM (चित्रा 1बी) के साथ सब्सट्रेट के आकार की जांच करें ।
  3. फ्रीज द्वारा वैक्यूम के तहत पानी शुद्ध-पंप गल चक्र21 शेष अशुद्धियों को दूर करने के लिए ।
    1. तीन सील बंद ग्लास-UHV एडेप्टर तैयार करें । प्लेस वाटर एच2ओ, डी2ओ, और डी2O:HOD: एच2ओ isotopic मिश्रण समाधान (2 मिलीलीटर) तीन एडेप्टर में अलग से, और एडाप्टर गैस लाइन (चित्रा 2) पर माउंट ।
      नोट: डी2O:HOD: एच2ओ isotopic मिश्रण के लिए अल्ट्रासोनिक दोलन के तहत बराबर मात्रा के साथ ultrapure एच2ओ और डी2हे मिश्रण द्वारा प्राप्त किया जा सकता है 10 मिनट ।
    2. तरल नाइट्रोजन के साथ तरल पानी फ्रीज । सुनिश्चित करें कि गैस लाइन ठंड से पहले ~ 10-7 mbar के दबाव के लिए पंप है ।
    3. डायाफ्राम-सील वाल्व और 15 मिनट के लिए बंद वातावरण पंप खोलो । फिर डायाफ्राम सील बंद वाल्व और गल समाधान ।
      नोट: गैस बुलबुले हल जब यह गल रहा है से विकसित ।
      सावधानी: अपने आप से जमे हुए विलायक गल चलो । पानी के स्नान के साथ हल गल कांच पोत को तोड़ने के लिए कारण हो सकता है । फ्रीज और जल्दी समाधान गल करने के लिए, धातु-UHV एडेप्टर के साथ ग्लास-UHV एडेप्टर की जगह है, हालांकि धातु पोत में समाधान अदृश्य है ।
    4. दोहराएं कदम 1.3.2-1.3.3 जब तक कोई गैस बुलबुले समाधान गल के रूप में समाधान से विकसित । फ्रीज-पंप-गल चक्र के माध्यम से कम से तीन बार रखो ।
    5. धौंकनी सील बंद वाल्व और वैक्यूम में गैस लाइन छोड़ दें । फिर डायाफ्राम-सील वाल्व खोलने के लिए, और पानी भाप गैस लाइन में भरने दो ।
  4. नमूना सतह पर सीटू में खुराक पानी अणुओं
    1. नमूने के तापमान में कमी करने के लिए 5 K. रिसाव वाल्व को खोलने के लिए STM UHV चैंबर वृद्धि के दबाव बनाने के लिए धीरे-2 × 10-10 mbar ।
      नोट: पानी के अणुओं की खुराक ट्यूब, जो ढाल के शटर करने के लिए अंक के माध्यम से UHV कक्ष में प्रवाह । शटर और नमूना (ढाल में) के बीच की दूरी के बारे में 6 सेमी है । STM चेंबर का बेस प्रेशर 7 × 10-11 mbar से बेहतर है । जमाव दर के बारे में ०.०१ bilayer मिनट है-1
    2. शटर खोलें । 1 मिनट के लिए Au-समर्थित NaCl सतह पर पानी के अणुओं खुराक । इसके बाद शटर और लीक वॉल्व को बंद कर ।
    3. STM के साथ Au-समर्थित NaCl (001) सतह पर पानी के अणुओं की कवरेज की जांच करें । नमूना सतह पर पृथक जल मोनोमर प्रपत्र (चित्रा 1सी) ।

2. सीएल-समाप्त टिप की तैयारी

  1. एक electrochemically धंसा टंगस्टन (डब्ल्यू) टिप गढ़े ।
    1. एक 3 मॉल में ०.३ mm W तार प्लेस/एल NaOH के बारे में 2 मिमी के एक विसर्जन की लंबाई के साथ समाधान नक़्क़ाशी ।
    2. लागू करें एक प्लैटिनम अंगूठी NaOH समाधान में डाला इलेक्ट्रोड के संबंध में डब्ल्यू तार करने के लिए एक 5 वी डीसी क्षमता ।
    3. खोदना प्रक्रिया बंद करो जब निलंबित डब्ल्यू तार गिर गया । आसुत जल और इथेनॉल के साथ धंसा डब्ल्यू टिप साफ । तो स्कैनर में डब्ल्यू टिप हस्तांतरण ।
      नोट: electrochemically धंसा W टिप विनिमय से पहले एक वर्ष के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।
  2. लागू वोल्टेज दालों (2-10 वी) और नियंत्रित दुर्घटनाग्रस्त प्रक्रियाओं (0.25-0.4 एनएम) STM टिप पर जब तक NaCl सतह के परमाणु सीएल परमाणुओं का समाधान कर रहे हैं ।
    नोट: STM टिप Au (111) सतह के एक स्वच्छ क्षेत्र पर प्रहार किया है ।
  3. एक सीएल एटम के केंद्र पर STM टिप स्थिति (चित्रा 3) । V = 5 एमवी के सेट बिंदु के साथ निकटता में नंगे STM टिप NaCl सतह के करीब लाओ और मैं = 5 एन ए (चित्रा 3बी) ।
  4. टिप को मूल सेट पॉइंट (आरेख 3c) से वापस लें और उसी क्षेत्र को स्कैन करें । NaCl (चित्रा 3डी-ई) के STM छवि में सुधार संकल्प और एक लापता सीएल एटम द्वारा सीएल टिप के प्राप्य की जांच करें ।
    नोट: असफल मामले कभी-कभार घटित हो सकते हैं, उदाहरण के लिए, जब सीएल एटम STM या एकाधिक सीएल/ यदि ऐसा होता है, तो चरण 2.2-2.5 दोहराएं ।

3. जल मोनोमर की कक्षीय इमेजिंग

  1. STM टिप को वोल्टेज पल्स (2-10 V) और नियंत्रित दुर्घटनाग्रस्त (0.25-0.4 एनएम) प्रक्रियाओं के साथ आकार ।
  2. NaCl पर adsorbed पानी के अणुओं को स्कैन करें (001) सतह के साथ 10 एनएम फ़्रेम से 5 K.
  3. एक व्यक्ति पानी मोनोमर पर ध्यान दें और ज़ूम इन करें । पूर्वाग्रह के कार्यों के रूप में एक व्यवस्थित तरीके से पानी मोनोमर स्कैन (-400-400 एमवी) और सुरंग चालू (50-300 फिलीस्तीनी अथॉरिटी) ।
    नोट: एक नंगे STM टिप के साथ, सबसे अधिक कब्जा (होमो) और सबसे कम खाली (LUMO) पानी की आणविक orbitals सकारात्मक और नकारात्मक पूर्वाग्रह पर दिखाई देते हैं, क्रमशः22। एक बार टिप Cl-समाप्त हो गया है, केवल होमो उभर (चित्रा 4), और LUMO सुविधा सुलभ पूर्वाग्रह रेंज भर में नहीं देखा है (से-४०० एमवी ४०० एमवी के लिए). बड़ा पूर्वाग्रह वोल्टेज के तहत भी, पानी के अणुओं कंपन उत्तेजना के कारण अस्थिर हो जाएगा ।

४. एकल अणु कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी

  1. डिजिटल लॉक-इन और बायस स्पेक्ट्रोस्कोपी मॉड्यूल का सेटअप (Nanonis इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रक)
    1. पूर्वाग्रह स्पेक्ट्रोस्कोपी मॉड्यूल का सेटअप: वर्तमान, LIX1 (dI/dv स्पेक्ट्रा सिग्नल), और LIX2 (d2I/dv2 स्पेक्ट्रा सिग्नल) चैनल का चयन करें । सेट करें ५० ms के रूप में समय, और एकीकरण समय ३०० ms. वृद्धि के रूप में एकीकरण समय और स्वीप बार स्मूथ स्पेक्ट्रा प्राप्त करने के लिए । धुन Z ऑफसेट अलग टिप ऊंचाइयों पर पूर्वाग्रह स्पेक्ट्रोस्कोपी लेने के लिए । सुनिश्चित करें कि Z-नियंत्रक सेट रखता है और माप के दौरान लॉक-इंस चलाता है
      नोट: सेटिंग समय के रूप में परिभाषित किया गया है: पूर्वाग्रह को अगले स्तर तक बदलने के बाद प्रतीक्षा करने का समय और पूर्वाग्रह परिवर्तन द्वारा प्रेरित क्षणिक प्रभाव से बचने के लिए डेटा प्राप्त करना शुरू करने से पहले । एकीकरण समय इस रूप में परिभाषित किया गया है: वह समय जिसके दौरान डेटा का अधिग्रहण और औसत किया जाता है ।
    2. लॉक-इन मॉड्यूल का सेटअप
      नोट: स्कैनिंग सुरंग स्पेक्ट्रोस्कोपी, dI/dv और d2I/dv2 स्पेक्ट्रा, एक साथ प्राप्त कर रहे हैं एक ताला एम्पलीफायर में सुरंगिंग वर्तमान की पहली और दूसरी harmonics के क्रमशः का उपयोग कर.
      1. पूर्वाग्रह मिलाना और वर्तमान मॉडुलन । 5-7 एमवी के रूप में कुछ सौ हर्ट्ज और मॉडुलन आयाम के रूप में मॉडुलन आवृत्ति सेट करें. सुनिश्चित करें कि वहाँ सेट बिंदु आवृत्ति और इसी दूसरी हार्मोनिक आवृत्ति पर कोई यांत्रिक और इलेक्ट्रॉनिक शोर है.
      2. पहले हार्मोनिक चरण सेट करें: Z-नियंत्रक मॉड्यूल करने के लिए स्विच करें । टिप लिफ्ट को 10 एनएम सेट करें और फीडबैक को बंद कर दें । लॉक-इन मॉड्यूल पर स्विच करें और लॉक-इन बटन (हरा) चालू कर दें. पहले हार्मोनिक ऑटो चरण पर क्लिक करें और चरण रिकॉर्ड. ऑटो फेज को कम से पांच बार दोहराएं और एवरेज से लें । फिर जंक्शन के फेज पाने के लिए एवरेज फेज से ९० डिग्री घटाना ।
      3. दूसरा सुरीले चरण सेट करें: Au (111) सब्सट्रेट पर STM टिप की स्थिति और पूर्वाग्रह स्पेक्ट्रोस्कोपी झाडू से शुरू-१.५ v १.५ v. चैनल LIX 1 और समारोह के उपसंचालक का चयन करें, जो एक साथ dI/dV स्पेक्ट्रम के व्युत्पंन दिखा । स्पेक्ट्रम में एक प्रमुख शिखर सुविधा का पता लगाएं और पूर्वाग्रह के रूप में इसी ऊर्जा सेट । लॉक-इन को चालू करें और STM सिस्टम को टनल में रखें । दूसरी हार्मोनिक ऑटो चरण पर क्लिक करें कम से कम पांच बार और औसत ले ।
        नोट: के बाद से दूसरी हार्मोनिक संकेतों आमतौर पर बहुत कमजोर हैं, चरण बेतहाशा उतार चढ़ाव कर सकते हैं. संकेत की तीव्रता को बढ़ाने के लिए टिप ऊंचाई को कम करने, चरण के उतार चढ़ाव बहुत छोटे हो जाएगा (कुछ डिग्री) और दूसरा हार्मोनिक चरण अधिक सटीक हो जाएगा.
  2. टीप-एन्हांस्ड IETS a D2O मोनोमर
    1. V = 100 एमवी के सेट बिंदु पर सीएल-टिप के साथ एक पानी मोनोमर स्कैन और मैं = 50 पीए ।
    2. NaCl सतह पर सीएल-टिप स्थिति और पृष्ठभूमि संकेत के रूप में पूर्वाग्रह स्पेक्ट्रोस्कोपी ले । फिर पानी मोनोमर पर सीएल-टिप की स्थिति और पूर्वाग्रह स्पेक्ट्रोस्कोपी झाडू शुरू करते हैं ।
    3. यदि dI/dv और d2I/dv2 स्पेक्ट्रा के पानी की विशेषता है, बस पृष्ठभूमि NaCl सतह का पालन करें ( चित्रा 4के नीले curvesसी-डी) । जब तक कंपन सुविधाओं स्पेक्ट्रा में उभरने Z ऑफसेट द्वारा टिप ऊंचाई घटाएं ( चित्रा 4के लाल curvesसी-डी) ।
      नोट: IETS माप के लिए, एक लंबा एकीकरण समय (~ 1s) और एकाधिक राज्यभर की आवश्यकता है । एक डी2O पानी मोनोमर के लिए, पूर्वाग्रह सीमा से सेट-३६० एमवी ३६० एमवी के लिए । एच2ओ/विभागाध्यक्ष जल मोनोमर के लिए-४७५ एमवी से ४७५ एमवी करने के लिए बायस स्वीप । डी2ओ, एच2ओ, और विभागाध्यक्ष, पानी मोनोमर के साथ तुलना और अधिक आसानी से परेशान कर रहे है और यहां तक कि IETS माप के दौरान बह ।
  3. एच बांड शक्ति
    1. दोहराएँ कदम 4.2.2-4.2.3 और स्वीप पूर्वाग्रह रेंज पानी मोनोमर के खींच मोड पर ध्यान केंद्रित करने के लिए ट्यून. जल डी2ओ, एच2ओ, और विभागाध्यक्ष के IETS प्रस्तुत कर रहे है और 23में चर्चा की ।
    2. एच के redshift से रूपांतरित होने से-बांडिंग ऊर्जा प्राप्त करें ओह खींच आवृत्ति (मुक्त ओह खींच ऊर्जा के सापेक्ष) इस अनुभवजंय सूत्र का उपयोग:
      ΔH = १.३ × √ Δv (1)
      नोट: ΔH एच-बंधन ऊर्जा है, kJ/ Δवी ओह टूटती विधा की redshift है, सेमी-1में । एच की इकाई-बांडिंग शक्ति को meV से रूपांतरित करें: 1kJ/मोल = 10.4 meV/एटम । 1. OD खींच मोड के लिए Eq .1 लागू करने के लिए, मात्रा Δv को एक फ़ैक्टर से गुणा किया जाना चाहिए: v(OH)/ v(od) = १.३६१२, जहां v(oh) और v(od) ओह और आयुध डिपो के निःशुल्क विभागाध्यक्ष अणु की आवृत्तियों को खींच रहे हैं, क्रमशः.

5. आणविक हेरफेर

  1. एक जल tetramer का निर्माण (चित्रा 5ए)
    1. चार जल मोनोमर वाले क्षेत्र को स्कैन करें । एक मोनोमर के शीर्ष पर सीएल-टिप स्थिति V = 100 एमवी और मैं = 50 pA के सेट बिंदु पर । V = 10 एमवी के सेट बिंदु को ऊंचाई घटाएं और मैं = 150 pA टिप-पानी संपर्क बढ़ाने के लिए ।
    2. डिज़ाइन की गई पथ के साथ सीएल-टिप ले जाएं । फिर प्रारंभिक सेट बिंदु (V = 100 एमवी, मैं = 50 फिलीस्तीनी अथॉरिटी) के लिए टिप वापस लेना, और एक ही क्षेत्र की जांच करने के लिए कि पानी डिमर गठन किया है पुन स्कैन ।
    3. पानी ट्रिमर और tetramer बनाने के लिए कदम 5.1.1-5.1.2 दोहराएँ ।
      नोट: ऊपर हेरफेर प्रक्रिया Nanonis नियंत्रक द्वारा महसूस किया जा सकता है (नियंत्रण स्कैन-मुझे मॉड्यूल का पालन करें) । स्कैन नियंत्रण का सेटअप-मुझे का पालन करें मॉड्यूल:
      पूर्वाग्रह: 10 एमवी
      गति: ५०० pm/
      Z-ctrl Setpoint: १५० pA
      /बंद Z-Ctrl: ग्रीन पर स्विच
      प्रतीक्षा करने का समय: 1s
      वर्तमान लाभ: LN 10 ^ 9
      पथ: रिकॉर्ड बटन क्लिक करें और छवि पर डिजाइन पथ आकर्षित, तो STOP बटन पर क्लिक करें ।
      निष्पादित बटन क्लिक करें और STM टिप मुझे मॉड्यूल का पालन में setpoint के साथ डिजाइन पथ के साथ कदम होगा । यदि पानी मोनोमर कदम नहीं है, टिप ऊंचाई कमी (छोटे पूर्वाग्रह और बड़ा वर्तमान हेरफेर के दौरान) ।
  2. एक पानी tetramer की Chirality स्विचन (चित्रा 6)
    1. सीएल टिप के साथ एक पानी tetramer स्कैन । V = 5 एमवी, मैं = 5 pA, और स्थिति थोड़ा पानी tetramer के केंद्र से टिप को सेट बिंदु बदलें ।
    2. z-नियंत्रक मॉड्यूल में, जब z-नियंत्रक बंद है टिप लिफ्ट करने के लिए एक दूरी को परिभाषित (उदा., टिप लिफ्ट:-२३० बजे) । Z-नियंत्रक प्रतिक्रिया बंद कर दें । टिप पानी tetramer (~ २३० बजे) के करीब लाओ ।
    3. रिकॉर्ड वर्तमान ट्रेस, जो दो विभिंन स्तरों से पता चलता है कि tetramer दो एच बांडिंग chirality के बीच प्रतिवर्ती रूपांतरण आया है ।
    4. उच्च स्तर पर वर्तमान छोड़ दो और Z-नियंत्रक प्रतिक्रिया पर स्विच । टिप को मूल सेट पॉइंट से वापस लेना (V = 5 एमवी, मैं = 5 pA). फिर V = 10 एमवी के सेट बिंदु के साथ पानी tetramer स्कैन और मैं = 100 pA पानी tetramer के चिराल राज्य की जांच करने के लिए ।
    5. दोहराएं चरण 5.2.1-5.2.4 उच्च वर्तमान स्तर पर जल tetramer की संगत चिराल स्थिति की पुष्टि करने के लिए कम से 10 बार ।
    6. दोहराएं कदम 5.2.1-5.2.4 कम से 10 बार, लेकिन कम स्तर पर वर्तमान छोड़ पानी tetramer की इसी चिराल राज्य की जांच करें ।
    7. 20 मिनट है, जो कुछ सौ स्विचन घटनाओं शामिल है के लिए सुरंग ट्रेस रिकॉर्ड
    8. वर्तमान स्ट्रेस के निम्न एवं उच्च स्तर पर tetramer में व्यतीत होने वाले समय का वितरण प्लाट, क्रमशः.
    9. वितरण को घातांकीय क्षय (चित्र 7) में फ़िट करें । तो फिट समय लगातार मिलता है । समय लगातार स्विच दर उपज के लिए व्युत्क्रम ।

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Representative Results

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चित्र 1 एक STM प्रयोगात्मक सेटअप की योजनाबद्ध दिखाता है । सबसे पहले, Au (111) सब्सट्रेट UHV चैंबर में sputtering और एनीलिंग चक्र द्वारा साफ किया जाता है । क्लीन Au (111) नमूना दिखाता है 22 × √ 3 पुनर्निर्माण सतह, जहां परमाणुओं की सतह परत का कब्जा दोनों hcp और एफसीसी herringbone संरचनाओं बनाने साइटों ( चित्रा 1बीके इनसेट) । NaCl Au (111) सब्सट्रेट, bilayer आइलैंड्स बनाने (चित्रा 1बी) पर काफूर है । फिर पानी के अणुओं को गैस लाइन के माध्यम से Au-समर्थित NaCl (001) सतह पर खुराक (चित्रा 2) और पृथक जल मोनोमर NaCl द्वीप (चित्रा 1सी) पर कल्पना कर रहे हैं । सीएल कार्यात्मक STM टिप NaCl सतह से एक सीएल एटम उठा द्वारा प्राप्त की है (आंकड़ा 3), जो ट्यूनिंग टिप-पानी युग्मन के माध्यम से ईएफ की निकटता के लिए पानी के होमो फाटक सकता है । चित्र 4 एक एक डी2ओ मोनोमर एक सीएल टिप के साथ प्राप्त की STM छवि है, बहुत बारीकी से पानी मोनोमर के होमो ( चित्रा 4का इनसेट) जैसी । इस तरह के एक निकट अनुनाद मामले में (चित्रा 4बी), कंपन मोड के साथ दृढ़ता से पानी जोड़ों के होमो, अनुनाद-बढ़ाया IETS में जिसके परिणामस्वरूप. िाईट संकेतों को बढ़ाने में टिप गेटिंग की अहम भूमिका को देखते हुए इस तकनीक को टिप-एन्हांस्ड IETS नाम दिया गया है. चित्र 4 पानी की नोक-संवर्धित IETS है, जिसमें कुंठित घूर्णन, झुकने, और खींच मोड सभी visualized है और "R", "B", और "S", क्रमशः23के रूप में चिह्नित । पारंपरिक IETS के साथ तुलना में, संकेत करने वाली टिप के शोर अनुपात-बढ़ाकर IETS नाटकीय रूप से बढ़ाया है (सापेक्ष आचरण परिवर्तन में 30% तक), जो ठीक है एच संबंध शक्ति का निर्धारण करने के लिए महत्वपूर्ण है ।

सीएल-समाप्त टिप का उपयोग करना, पानी के अणुओं सीएल-टिप और पानी के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक बातचीत के कारण एक अच्छी तरह से नियंत्रित फैशन में हेरफेर किया जा सकता है । चित्र 5 एक चित्रा 5) में, क्रमिक रूप से डिजाइन पथ के साथ चार पानी मोनोमर खींचकर एक पानी tetramer के निर्माण के लिए प्रक्रिया से पता चलता है । इस तरह के एक चक्रीय tetramer संरचना दो पतित चिराल राज्यों: दक्षिणावर्त और anticlockwise एच-बंधुआ छोरों, जो STM छवियों (चित्रा 5बी सी)22से विचार किया जा सकता है शामिल हैं । tetramer के chirality एक बार सीएल-टिप पानी tetramer (चित्रा 6), जो क्षेत्र में प्रोटॉन स्थानांतरण के लिए प्रतिक्रिया बाधा प्रभावी ढंग से दबा दिया जाता है के निकट दृष्टिकोण स्विच किया जा सकता है । जल tetramer के एच बांडिंग chirality के प्रतिवर्ती रूपांतरण समय के एक समारोह के रूप में सुरंगिंग वर्तमान रिकॉर्डिंग द्वारा निगरानी की जा सकती है24. स्विचन दरों वर्तमान बनाम समय ट्रेस से निकाला जा सकता है । जैसा कि चित्र 7में दिखाया गया है, एक दक्षिणावर्त tetramer के जीवनकाल वितरण एक घातीय क्षय y = Ae-t/τ ( चित्रा 7में लाल वक्र) से सज्जित किया जा सकता है, और समय लगातार τ की पैदावार के व्युत्क्रम सीएस → के स्विचन दर के रूप में एक चुना नमूना पूर्वाग्रह और टिप ऊंचाई ।

कक्षीय इमेजिंग, आणविक हेरफेर, और टिप-बढ़ाया IETS तकनीक के आधार पर, चेहरे के पानी की प्रोटान की मात्रा गति परमाणु पैमाने पर जांच की जा सकती है । उदाहरण के लिए, यह सीधे पानी के समूहों के भीतर प्रोटान की सुसंगठित क्वांटम सुरंग कल्पना और एक पानी में एक एच बांड की ताकत पर शूंय बिंदु गति के प्रभाव को बढ़ाता/ठोस अंतरफलक है, जो विस्तार में 23 में चर्चा कर रहे है संभव है और 24, क्रमशः ।

Figure 1
चित्र 1 : प्रायोगिक सेटअप. (a) प्रयोगात्मक सेटअप की योजनाबद्ध । (b) bilayer NaCl (001) की STM छवि Au (111) सतह पर उगाई जाती है । Au (111) सतह के चरण किनारों नीले डॉटेड रेखाओं द्वारा चिह्नित हैं । इनसेट Au (111) 22 × √ 3 पुनर्निर्माण सतह की STM स्थलाकृति से पता चलता है । () NaCl सतह पर पृथक जल मोनोमर adsorbed की STM छवि । अंतर्निहित Au (111) सब्सट्रेट के Herringbone संरचनाओं नीले तीर से प्रकाश डाला जाता है । सेट प्वाइंट: () 2V, 9 pA; इनसेट: १०० एमवी, ५० पीए; () १०० एमवी, ५० पीए. इस रिपोर्ट में STM छवियां सभी 5 K पर प्राप्त किया गया था । 22, कॉपीराइट २०१४ प्रकृति प्रकाशन समूह से अनुमति के साथ अनुकूलित । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2 : नमूना सतह पर पानी के अणुओं की खुराक के लिए गैस लाइन की योजनाबद्ध. पानी फ्रीज द्वारा वैक्यूम के तहत शुद्ध-पंप गल चक्र था । फिर पानी के अणुओं एक खुराक ट्यूब के माध्यम से नमूना सतह पर सीटू में खुराक थे, जो ~ 6 सेमी की दूरी के साथ नमूना की ओर इशारा किया. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3 : एक सीएल-समाप्त STM टिप की तैयारी । (a-c) एक सीएल-समाप्त टिप प्राप्त करने के लिए प्रक्रिया की योजनाबद्ध । सीएल-टिप एक नंगे STM टिप NaCl सतह के सीएल एटम की स्थिति के करीब लाने के द्वारा प्राप्त की है (), STM टिप (सी) के शीर्ष पर एक सीएल एटम हस्तांतरण जब तक । (d, e) STM की छवियां NaCl (001) सतह (इसी क्षेत्र) STM टिप पर सीएल एटम adsorbed से पहले और बाद में प्राप्त की । सीएल- ॠणायन से उत्पन्न होने वाले परमाणु संकल्प को सुलझा लिया गया । एक सीएल एटम याद आ रही है (स्काई-ब्लू एरो ()) और परमाणु संकल्प में सुधार हुआ है, यह दर्शाता है कि STM टिप एक सीएल एटम के साथ कार्यात्मक है । सेट प्वाइंट: () ५० एमवी, १०० pA; () ५० एमवी, ५० पीए. 24, कॉपीराइट २०१५ प्रकृति प्रकाशन समूह से अनुमति के साथ अनुकूलित । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्र 4 : टिप-एन्हांस्ड IETS a D2O मोनोमर. () एक डी2ओ मोनोमर की STM छवि एक सीएल टिप (वी = 100mV, मैं = ५० फिलीस्तीनी अथॉरिटी) के साथ प्राप्त की । इनसेट होमो के प्रभारी घनत्व की गणना isosurface से पता चलता है । () टिप-संवर्धित िाईट प्रक्रिया की योजनाबद्ध । सीएल-बंद टिप "गेट्स", ईएफकी निकटता को होमो, इस प्रकार resonantly िाईट प्रक्रिया के पार अनुभाग बढ़ाने । (c) dI/dv (d) d2I/dv2 स्पेक्ट्रा प्राप्त जल मोनोमर पर हरे तारे की स्थिति में । लाल और नीले curves टिप ऊंचाई द्वारा ऑफसेट के साथ पानी मोनोमर पर लिया जाता है-१२० pm और-४० pm, क्रमशः । धूसर वक्र टिप ऊंचाई ऑफ़सेट-१२० pm पर प्राप्त की गई पृष्ठभूमि NaCl संकेत है । टिप हाइट्स V = १०० एमवी और मैं = ५० फिलीस्तीनी अथॉरिटी के साथ सेट अंतर को संदर्भित कर रहे हैं । "R", "B", और "S", क्रमशः कुंठित घूर्णन, झुकने, और जल अणु के कंपन मोड खींच प्रतिनिधित्व करते हैं । इन घटता ऑफसेट, स्पष्टता के लिए y अक्ष में प्रस्तुत कर रहे हैं, और प्रत्येक वक्र के शूंय स्तर धराशाई क्षैतिज लाइनों द्वारा चिह्नित हैं । 23, कॉपीराइट २०१६ से अनुमति के साथ अनुकूलित विज्ञान की उंनति के लिए अमेरिकन एसोसिएशन । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्र 5 : सोखना विन्यास और STM स्थलाकृति के जल tetramers पर NaCL (001)/Au (111). () एक जल tetramer के निर्माण के लिए प्रक्रिया । जल मोनोमर एक पानी tetramer फार्म करने के लिए डिजाइन पथ (हरे रंग की धराशायी तीर) के साथ सीएल टिप द्वारा हेरफेर कर रहे हैं । (b, c) क्रमशः anticlockwise (b) और दक्षिणावर्त (c) H-बंधुआ छोरों के साथ जल tetramers की सोखना विन्यास और STM छवियां । जल tetramer की STM छवियां (दूसरा कॉलम) बताते है कि चार पालियों के बीच की सीमाएं बाएं हाथ (b) या दाएं हाथ (c) घुमाव, जो इसी व्युत्पंन छवियों (तीसरा स्तंभ) में अधिक स्पष्ट है । ओ, एच, सीएल-, और ना+ क्रमशः लाल, सफेद, भूरे, और काले सियान क्षेत्रों द्वारा चिह्नित हैं । सेट प्वाइंट: () ८० एमवी, ५० फिलीस्तीनी अथॉरिटी, (बी, सी) 10 एमवी, ८० pa । 22, कॉपीराइट २०१४ प्रकृति प्रकाशन समूह से अनुमति के साथ अनुकूलित । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्र 6 : एक पानी tetramer के Chirality स्विचन । () एक सीएल कार्यात्मक टिप के साथ एक पानी tetramer के chirality स्विचन के हेरफेर प्रक्रिया दिखा योजनाबद्ध । बाईं ओर, tetramer दक्षिणावर्त राज्य (सीएस) में सेट बिंदु के साथ बड़ी टिप ऊंचाई पर रहता है: वी = 5 एमवी और मैं = 5 pA । बीच में, २३० बजे तक टिप ऊंचाई कम, tetramer दक्षिणावर्त और anticlockwise राज्यों के बीच प्रतिवर्ती रूपांतरण से गुजरना होगा । सही पर, मूल टिप ऊंचाई के लिए टिप retracing anticlockwise राज्य में tetramer छोड़ देता है (के रूप में) । (b) chirality स्विचिंग के दौरान सुरंगिंग वर्तमान ट्रेस, पानी tetramer पर हरे तारे की स्थिति पर दर्ज किया गया । वर्तमान के उच्च और निचले स्तर के रूप में और सीएस राज्य के अनुरूप, क्रमशः । सोखना विंयास और सीएस के STM छवियों और tetramer के राज्य के रूप में (b) में डाला जाता है । ओ, एच, Au, सीएल-, और ना+ क्रमशः लाल, सफेद, सुनहरा, सियान और नीले क्षेत्रों, द्वारा चिह्नित हैं । 24, कॉपीराइट २०१५ प्रकृति प्रकाशन समूह से अनुमति के साथ अनुकूलित । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 7
चित्र 7 : वर्तमान ट्रेस बनाम समय से chirality स्विचिंग दर का निष्कर्षण । जीवन वितरण (बिन आकार: दक्षिणावर्त tetramer के ०.६ s) अच्छी तरह से १.३७ एस के समय लगातार के साथ एक घातीय क्षय (लाल वक्र) के लिए फिट हो सकता है । स्विचिंग दर समय स्थिरांक का प्रतिलोम है, ०.७३ ± ०.०१६ s-1। वर्तमान ट्रेस 3 एमवी और टिप की ऊंचाई का एक नमूना पूर्वाग्रह पर अधिग्रहीत किया गया था-२९५ pm, V = 5 एमवी और मैं = 5 फिलीस्तीनी अथॉरिटी के साथ सेट अंतर को संदर्भित । 24, कॉपीराइट २०१५ प्रकृति प्रकाशन समूह से अनुमति के साथ अनुकूलित । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

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आंतरिक संरचना, गतिशीलता, और ठोस सतहों पर adsorbed पानी के अणुओं की कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी जांच करने के लिए, हाइड्रोजन की स्वतंत्रता की डिग्री पर विशेष ध्यान दे, कुछ प्रयोगात्मक कदम महत्वपूर्ण महत्व के हैं, जो हो जाएगा निंनलिखित पैराग्राफ में चर्चा की ।

जल अणुओं की परिक्रमा इमेजिंग दो महत्वपूर्ण कदमों के आधार पर हासिल की जाती है. सबसे पहले, NaCl फिल्मों अछूता पानी Au सब्सट्रेट, दूसरा टिप के माध्यम से STM टिप के कक्षीय गेटिंग प्रभाव-पानी युग्मन से इलेक्ट्रॉनिक रूप से कुछ । au (111) सब्सट्रेट, au (111) सब्सट्रेट के तापमान २९० K के आसपास रहना चाहिए पर bilayer NaCl फिल्मों के विकास के लिए । जब सब्सट्रेट का तापमान बहुत कम है, भग्न संरचनाओं के रूप में, या NaCl द्वीपों के आकार बहुत छोटे हैं । उच्च तापमान मोटा NaCl द्वीपों के गठन के लिए नेतृत्व करेंगे, इस प्रकार के नमूने का आयोजन गरीब हो जाएगा । यह उल्लेख है कि दोनों होमो और LUMO एक तेज नंगे टिप के साथ visualized किया जा सकता है लायक है, जबकि सीएल-समाप्त टिप के कक्षीय गेटिंग उच्च चयनात्मक है, ऐसी है कि केवल होमोसेक्सुअल के कारण मजबूत युग्मन होमो और पीz कक्षीय के बीच का पता लगाने योग्य है सीएल टिप । आणविक orbitals के बाद से स्थानिक अणुओं की ज्यामितीय संरचनाओं के साथ एक साथ बंद कर रहे हैं, हे-पानी के अणुओं के एच दिशात्मकता उपआणविक संकल्प कक्षीय इमेजिंग22के माध्यम से विचार कर रहे हैं.

वास्तविक अंतरिक्ष इमेजिंग के साथ तुलना में, पानी की कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी एच में नए अंतर्दृष्टि-संबंध विन्यास, गतिशीलता, और एच-बंधन शक्ति की पेशकश कर सकते हैं. हालांकि, पारंपरिक IETS के साथ पानी की विश्वसनीय कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी जांच पानी के अणु के करीब खोल प्रकृति के कारण चुनौतीपूर्ण साबित कर दिया है । एक सीएल के साथ-टिप समाप्त, IETS संकेतों काफी पानी की होमोसेक्सुअल के रूप में बढ़ाया जा सकता है ई के निकटता को देखते जा सकता हैएफ टिप के माध्यम से पानी युग्मन, गुंजयमान में जिसके परिणामस्वरूप-बढ़ाकर IETS23। तथ्य की बात के रूप में, पानी मोनोमर के IETS टिप के पार्श्व स्थिति के लिए बहुत संवेदनशील है । क्योंकि पानी के अणुओं की होमो परिक्रमा केंद्र में एक नोड विमान है, जहां आणविक डॉस सबसे छोटा है, यह कंपन उत्तेजना के लिए एक बहुत छोटे पार अनुभाग की ओर जाता है । इसलिए, टिप आम तौर पर िाईट संकेतों को अधिकतम करने के लिए नोडल विमान से थोड़ा दूर तैनात है ( चित्रा 4aमें ग्रीन स्टार). इसके अलावा, टिप-बढ़ाया पानी मोनोमर के IETS भी टिप ऊंचाई के प्रति संवेदनशील है । िाईट स्पेक्ट्रा बड़े टिप-पानी की दूरी पर विशेषता है ( चित्र 4c-डीमें नीला घटता). कम टिप ऊंचाई के साथ, पानी अणु के साथ टिप के युग्मन बढ़ाया है और कंपन सुविधाओं में उभर ( चित्र 4c डीमें लाल घटता) । हालांकि, टिप-पानी युग्मन कंपन मोड के आंतरिक ऊर्जा पर महत्वपूर्ण प्रभाव हो सकता है । दरअसल, खींच मोड कम टिप ऊंचाई है, जो व्युत्क्रम घातीय क्षय को लगाया जा सकता है के साथ लाल पारी से गुजरना होगा । टिप प्रभाव को खत्म करने के लिए, अनंत टिप ऊंचाई करने के लिए इन curves एक्सट्रपलेशन आंतरिक कंपन ऊर्जा प्राप्त करने के लिए23

STM केवल इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी माप के लिए एक परमाणु जांच नहीं है, लेकिन यह भी एक अच्छी तरह से नियंत्रित फैशन9,10में व्यक्तिगत परमाणुओं और अणुओं में हेरफेर कर सकते हैं । इस रिपोर्ट में, जब टिप एपेक्स पानी के बीच लंबी दूरी की इलेक्ट्रोस्टैटिक बातचीत और टिप पर नकारात्मक आरोप लगाया सीएल एटम के सीएल के साथ कार्यात्मक है, जब NaCl फिल्मों को अछूता पर पानी के अणुओं के हेरफेर अधिक नियंत्रणीय है । एक सीएल-टिप के साथ बंद किया जा सकता है जो दक्षिणावर्त और anticlockwise एच-बंधुआ छोरों, निर्माण पानी tetramer दो पतित चिराल राज्यों में शामिल हैं । कभी-कभार, अधिक से अधिक दो मौजूदा स्तरों chirality स्विच के दौरान वर्तमान ट्रेस में सीएल एटम adsorbed की संरचनात्मक छूट से उत्पन्न टिप शीर्ष पर उभरने । chirality स्विचन आमतौर पर छोटे टिप ऊंचाई पर होता है, जो क्षेत्र में सीएल एटम टिप शीर्ष की विषमता के कारण नोक पर एकाधिक metastable सोखना विंयास हो सकता है । एक विन्यास से सीएल एटम के hopping एक और परिवर्तन सुरंग चालू करने के लिए, लेकिन tetramer chirality के स्विचन के लिए नेतृत्व नहीं करता है. परिणामस्वरूप, कोई फर्क नहीं पड़ता कि कितने स्तर दिखाई देते हैं, वे दो समूहों में विभाजित किया जा सकता है, और प्रत्येक समूह पानी tetramer के एक चिराल राज्य से मेल खाती है । क्या अधिक है, स्विचन दर xyz दिशाओं में टिप की स्थिति के प्रति संवेदनशील हैं, पानी tetramer के साथ सीएल-टिप के युग्मन पर निर्भर करता है । सीएल टिप भी पानी tetramer के लिए बंद है या बंद-केंद्र tetramer24के सापेक्ष तैनात जब स्विचन दर बुझती होगी. वर्तमान ट्रेस से स्विचिंग दर निकालने के लिए, समय बिन का आकार महत्वपूर्ण है । यह एक उपयुक्त समय बिन का चयन करने के लिए अच्छी तरह से एक घातीय क्षय के लिए जीवनकाल वितरण फिट करने के लिए कई बार प्रयास करने के लिए आवश्यक है । कुछ मामलों में, दो मौजूदा स्तर तो अलग शोर पृष्ठभूमि के लिए तुलनीय है कि बंद कर रहे हैं, इस प्रकार आसंन औसत विधि वर्तमान ट्रेस दो वर्तमान स्तर को हल करने के लिए चिकनी करने के लिए अपनाया जाता है ।

हालांकि STM निस्र्पक के लिए शक्तिशाली साबित किया गया है संरचना, गतिशीलता, और परमाणु पैमाने पर ठोस सतहों पर पानी के अणुओं की कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी, यह सहित सीमाओं से ग्रस्त है: (1) का आयोजन सब्सट्रेट प्राप्त करने के लिए आवश्यक हैं सुरंग वर्तमान, (2) गरीब लौकिक-संकल्प (आमतौर पर कुछ सौ microseconds के क्रम में), (3) STM टिप और उच्च ऊर्जा IETS माप के दौरान इलेक्ट्रॉनों सुरंग से पानी के अणुओं को गड़बड़ी, (4) UHV पर्यावरण और कम तापमान अपरिहार्य है । इन सीमाओं STM जब पानी की जांच के लिए पारंपरिक तरीकों, जैसे ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी, न्यूट्रॉन कैटरिंग, और एनएमआर के साथ तुलना में कम गिरावट बनाते हैं । फिर भी, STM की छोटी आने वाली अंय तकनीकों के संयोजन से दूर किया जा सकता है । उदाहरण के लिए, qPlus-गैर संपर्क परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (नेकां-AFM) के लिए H-बंधुआ नेटवर्क की टोपोलॉजी निर्धारित करने के लिए नियोजित किया जा सकता है और यहां तक कि क्रिस्टल बर्फ25,26से अछूता । अल्ट्रा फास्ट लेजर संयुक्त STM दोनों उपआणविक स्थानिक संकल्प और femtosecond लौकिक संकल्प एक साथ27,28को प्राप्त करने के लिए एक आशाजनक उपकरण है । इसके अलावा, नाइट्रोजन को रोजगार-रिक्ति (नमन) केंद्र स्कैनिंग जांच (नमन-एसपीएम) के रूप में बहुत कमजोर चुंबकीय संकेतों का पता लगाने के लिए एक गैर perturbative उपकरण, जैसे पानी में प्रोटान के स्पिन उतार चढ़ाव और संचालन एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी होने की उंमीद है परिवेशी परिस्थितियों29,30,31के अंतर्गत नेनो ।

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Disclosures

लेखकों के पास कुछ भी खुलासा नहीं है.

Acknowledgments

यह काम अनुदान सं ११६३४००१, 11290162/A040106 के तहत चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन ग्रांट no. 2016YFA0300901 2016YFA0300903 और 2017YFA0205003 के तहत राष्ट्रीय कुंजी अनुसंधान एवं विकास कार्यक्रम द्वारा वित्त पोषित है । Y.J. प्रतिष्ठित युवा विद्वानों और Cheung कांग युवा विद्वान कार्यक्रम के लिए राष्ट्रीय विज्ञान कोष द्वारा समर्थन स्वीकार करता है । जे. जी. नवीन प्रतिभाओं के लिए राष्ट्रीय Postdoctoral कार्यक्रम से समर्थन स्वीकार करते हैं.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Au(111) single crystal MaTeck NA
NaCl Sigma Aldrich 450006
Water, deuterium-depleted  Sigma Aldrich 195294
Deuterium oxide  Sigma Aldrich 364312
Sealed-off glass-UHV adapters MDC vacuum products 46300
Diaphragm-sealed valve any NA
Bellows-sealed valve any NA
Leak valve Kurt J. Lesker  NA
Scanning tunneling microscopy CreaTec NA
Electronic controller. Nanonis  NA
Tungsten wire any diameter:0.3 mm; purity: 99.95%

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References

  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).
संरचना और स्कैनिंग सुरंग माइक्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ चेहरे का पानी की गतिशीलता की जांच
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Guo, J., You, S., Wang, Z., Peng, J., Ma, R., Jiang, Y. Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy. J. Vis. Exp. (135), e57193, doi:10.3791/57193 (2018).More

Guo, J., You, S., Wang, Z., Peng, J., Ma, R., Jiang, Y. Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy. J. Vis. Exp. (135), e57193, doi:10.3791/57193 (2018).

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