JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Chemistry

Verifiserer strukturen og dynamikken i Interfacial vann med Scanning Tunneling mikroskopi og spektroskopi

Published: May 27, 2018
doi:
10.3791/57193
, , , , ,
1International Center for Quantum Materials, School of Physics,Peking University, 2Collaborative Innovation Center of Quantum Matter

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å undersøke strukturen og dynamikken i interfacial vann atomic skalaen, submolecular oppløsning bildebehandling, molekylær manipulasjon og enkelt-obligasjon vibrasjonsmedisin spektroskopi.

Abstract

Vann/ren grensesnitt er allestedsnærværende, og spiller en viktig rolle i mange miljømessige Biofysiske og teknologiske prosesser. Løse den interne strukturen og undersøkelser hydrogen-bond (H-bond) dynamikken molekylene adsorbert på solide flater er grunnleggende spørsmål om vann vitenskapen, som forblir en stor utfordring lys masse og liten størrelse av hydrogen. Scanning tunneling mikroskopi (STM) er et lovende verktøy for å angripe disse problemene, takket være sine evner sub-Ångström romlig oppløsning, enkelt-obligasjon vibrasjonsmedisin følsomhet og Atom/molekylær manipulasjon. Designet eksperimentelle systemet består av en Cl-terminert tips og et utvalg fabrikkert av dosering vann molekyler i situ på Au (111)-støttet NaCl(001) overflater. Isolerende NaCl filmene kople elektronisk vannet fra de mettaliske underlag, så de iboende frontier orbitalene av vannmolekyler beholdes. Cl-spissen forenkler manipulering av enkelt molekylene, samt gating orbitale vann til nærhet til Fermi-nivå (EF) via tips-vann kopling. Dette dokumentet beskriver metodene detaljert submolecular oppløsning bildebehandling, molekylær/Atom manipulasjon og enkelt-obligasjon vibrasjonsmedisin spektroskopi interfacial vann. Disse studiene åpne opp en ny rute for å undersøke H-limt systemene på atomic skalaen.

Introduction

Samspillet av vann med overflater av faste stoffer er involvert i ulike overflaten reaksjon prosesser, for eksempel heterogene katalyse, photoconversion, elektrokjemi, korrosjon og smøring et al. 1 , 2 , 3 generelt for å undersøke interfacial vann, spektroskopiske og Diffraksjon teknikker brukte, som infrarød og Raman spektroskopi, sum-frekvens generasjon (SFG), røntgen Diffraksjon (XRD), kjernefysiske magnetisk resonans (NRM), Nøytron spredning4,5,6,7,8. Imidlertid er disse metodene lider av begrensning av romlig oppløsning, spektrale utvidelse og effekter i snitt.

STM er en lovende teknikk for å overvinne disse begrensningene som kombinerer sub-Ångström romlig oppløsning, atomic manipulasjon, og enkelt-obligasjon vibrasjonsmedisin følsomhet9,10,11,12 , 13 , 14. siden begynnelsen av dette århundret, STM er mye brukt for å undersøke strukturen og dynamikken i vann på solide flater3,15,16,17, 18,19,20. I tillegg vibrasjonsmedisin spektroskopi basert på STM kan hentes fra andre-deriverte differensial tunnelering konduktans (d2jeg / dV2), også kjent som uelastisk elektron tunnelering spektroskopi (IETS). Løse den interne strukturen, dvs H-bond retningen, og anskaffe pålitelig vibrasjonsmedisin spektroskopi vann er imidlertid fortsatt utfordrende. Største vanskeligheten ligger i at vann er et tett shell molekyl, som frontier orbitale er langt fra E-F, dermed elektroner fra STM spissen kan neppe tunnel i molekylær resonans USA vann, fører til dårlig signal-til-støy-forhold molekylær bildebehandling og vibrasjonsmedisin spektroskopi.

Vann adsorbert Au-støttet NaCl(001) filmer gir et ideelt system for Atom-skala etterforskning av STM med Cl-terminert tips (figur 1en), som er utført på 5 K i av beryllium-vakuum (UHV) miljø med en base trykk bedre enn 8 × 10-11 mbar. På den ene siden kople isolerende NaCl filmene vannmolekyler elektronisk fra Au underlaget så de opprinnelige frontier orbitalene vann beholdes og levetiden til elektronene bosatt i molekylær resonans staten er langvarig. På den annen side, kunne STM spissen effektivt tune frontier orbital vann mot EF via tips-vann kopling, spesielt når spissen er functionalized med en Cl atom. Disse hovedtrinnene aktiverer høyoppløselig orbital bildebehandling og vibrasjonsmedisin spektroskopi vann monomerer og klynger. I tillegg kan vann manipuleres i en godt kontrollert måte, på grunn av sterk elektrostatisk samspillet mellom negativt ladde Cl-tips og vann.

I denne rapporten er forberedelse prosedyrene for prøven og Cl-terminert spissen STM gransking beskrevet detaljert i 1 og 2, henholdsvis. I del 3 beskriver vi orbital tenkelig teknikk, som O-H retningen av vann monomer og tetramer er løst. Tips-forbedret IETS er innført i del 4, som gir mulighet for søkeverktøy vibrasjonsmedisin moduser av vannmolekyler enkelt-obligasjon grense, og fastsettelse av H-binding styrke med høy nøyaktighet med rød skift i oksygen-hydrogen strekking frekvens for vann. I del 5 viser vi hvordan vann tetramer kan være konstruert og slått av kontrollert tips manipulasjon. Basert på orbital bildebehandling, spektroskopi og manipulasjon teknikker, kan isotopanrikning substitusjon eksperimenter utføres for å undersøke kvante natur protoner i interfacial vann, som quantum tunneling og null-punktet bevegelse.

Protocol

Merk: Eksperimenter er utført på vannmolekyler adsorbert på Au-støttet NaCl(001) filmen (figur 1en) på 5 K med en av beryllium-vakuum (UHV) kryogene STM utstyrt med Nanonis elektronisk kontrolleren. 1. fabrikasjon av eksperimentelle prøve Rengjør Au(111) enkelt krystall Deretter skylle gassledningen med Ar gass pumpe gass-linje til trykket av ~ 10-7 mbar. Sette gjennom pumpen/flush syklusen f…

Representative Results

Figur 1 en illustrerer skjematisk av STM eksperimentelle oppsett. Først er Au(111) underlaget renset av sputtering og avspenning sykluser i UHV kammeret. Rene Au(111) prøven viser 22 × √3 rekonstruert overflaten, der atomer av overflatelaget okkupere både hcp og fcc steder danner fiskebein strukturer (rammemargen i figur 1b). NaCl er fordampet på Au(111) underlaget, danner bilayer øyer (<…

Discussion

For å undersøke den interne strukturen, dynamikk og vibrasjonsmedisin spektroskopi av vannmolekyler adsorbert på solid overflater, særlig vekt frihetsgradene av hydrogen, er noen eksperimentelle trinn av avgjørende betydning, som vil bli diskutert i følgende avsnitt.

Orbital avbilding av vannmolekyler oppnås basert på to viktige trinn. Først kople isolerende NaCl filmene vannet elektronisk fra Au underlaget, andre orbital gating effekt STM tips via tips-vann kopling. For å vokse bila…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet er finansiert av National nøkkel R & D Program under Grant No. 2016YFA0300901 2016YFA0300903 og 2017YFA0205003, National Natural Science Foundation i Kina under Grant nr. 11634001, 11290162/A040106. Y.J. erkjenner støtte av National Science Fund for fremragende unge forskere og Cheung Kong unge forsker Program. J. G. anerkjenner støtte fra National postdoktor Program for Innovative talenter.

Materials

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%
DOWNLOAD MATERIALS LIST

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. , (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).

Tags

Scanning Tunneling MicroscopySTMInterfacial WaterHydrogen BondVibrational SpectroscopyWater StructureWater DynamicsSurface WaterAtomic ManipulationConfined WaterMultilayer Water

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image