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
Summary
ここでは、構造と界面の水 submolecular 分解能イメージング、分子操作、および単一結合振動分光法の観点から、原子スケールでのダイナミクスを検討するプロトコルを提案します。
Abstract
水/固体界面の構築と多くの環境、生物物理、および技術プロセスで重要な役割を再生します。内部構造を解決して固体表面上に吸着した水分子の水素結合 (水素結合) ダイナミクスをプローブ光の質量と水素のサイズが小さいため大きな挑戦に残る水の科学の根本的な問題であります。走査型トンネル顕微鏡 (STM) は、サブオングスト空間解像度、単結合振動感度、原子・分子操作の機能のおかげで、これらの問題を攻撃するための有望なツールです。Cl 終了ヒントと水分子その場でAu (111) に投与により作製したサンプルから成っている設計の実験的システム-NaCl(001) 面をサポートします。水分子の本質的なフロンティア軌道が保持されますので、NaCl 絶縁膜は電子金属基板から水を分離します。Cl チップ先端水結合によるフェルミ準位 (EF) の近くに水の軌道をゲートし同様、1 つの水の分子の操作が容易になります。本稿は、submolecular 分解能イメージング、分子・原子の操作、および単一結合界面の水の振動分光学の詳細な方法を紹介します。これらの研究は、原子スケールで H 結合系を調査するための新しいルートを開きます。
Introduction
水の固体材料表面との相互作用の異質触媒作用, 光電, 電気化学, 腐食と潤滑らなどのさまざまな表面反応過程に関与しています。1,2,3一般に、界面の水、分光・回折を調査する手法が使われます赤外・ ラマン分光法など和周波発生 (SFG)、x 線回折装置 (XRD)、核磁気共鳴 (NMR)中性子散乱4,5,6,7,8。ただし、これらのメソッドは、空間分解能、スペクトル広帯域化と平均化効果の制限に苦しみます。
STM は、サブオングスト空間分解能、原子操作と単結合振動感度9,10、11,12を組み合わせたこれらの制限を克服するために有望な技術,13,14. STM この世紀の初めには、構造と固体表面3,15,16,17、上の水の動態を調査に広く適用されています。 18,19,20。また、STM に基づく振動分光法は二次微分微分コンダクタンスから取得でした (d2私/dV2)、非弾性電子トンネル分光法 (IETS) としても知られています。しかし、内部構造、すなわち水素結合、方向性を解決し、水の振動分光による信頼性の高いを取得まだ挑戦しています。主な困難はある水はそのフロンティア軌道は EFから遠く離れている閉じるシェル分子、従って STM 探針から電子ことができます貧しい信号対雑音比につながる水の分子共鳴状態にトンネルほとんど分子イメージングと分光法。
Au サポート NaCl(001) 薄膜に吸着した水 Cl 終了ヒント (図 1、)、5 K で基本圧力と超高真空 (UHV) 環境で実行されると STM による原子スケール調査のための理想的なシステムを提供します。8 × 10-11 mbar より。一方で、NaCl 絶縁膜は、水のネイティブ フロンティア軌道が保持され、分子の共鳴状態に存在する電子の有効期間が延長されるので Au 基板から電子的に水分子を分離します。その一方で、STM 探針が効果的にヒント水結合、特に先端は Cl 原子修飾を介した EFに向けた水のフロンティア軌道チューニングできます。これらの重要なステップは、高分解能軌道イメージングおよび水モノマーとクラスターの振動分光法を有効にします。さらに、水の分子は負荷電の Cl-ヒントと水の強力な静電的相互作用のための制御された方法で操作できます。
本報告では、サンプルと stm 観察の Cl 終了ヒントの準備手順はそれぞれ 1 と 2 のセクションで詳細に説明しました。セクション 3 ではイメージング、水モノマーおよび四量体の O H 方向性が解決される軌道をについて説明します。チップ増強 IETS は酸素・水素の伸張の赤方偏移から高精度単結合の制限で水の分子の振動モードと水素結合強度の測定の検出を可能にする、セクション 4 で導入されました。水の頻度。セクション 5 では、水テトラマーを構築して制御チップ操作によって切り替えることができる方法を示します。軌道イメージング、分光、および操作の手法に基づいて、同位体置換実験は、量子トンネルとゼロ点の動きなどの界面の水のプロトンの量子的性質を調査する実行できます。
Protocol
Representative Results
Discussion
プローブの内部構造、ダイナミクス、および水素の自由度に特に注意を払って、固体表面の吸着水分子の振動分光法にいくつかの実験手順は非常に重要であるが次の段落で説明します。
2 つの重要なステップに基づく水の分子軌道イメージングを実現します。まず、NaCl 絶縁膜を分離する Au 基板から電子的に水第 2 軌道ゲーティングの STM 探針の先端水結合による効果。A…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は国立キー R
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% |
Referenzen
- Thiel, P. A., Madey, T. E. The interaction of water with solid surfaces: Fundamental aspects. Surf. Sci. Rep. 7 (6-8), 211-385 (1987).
- Henderson, M. A. The interaction of water with solid surfaces: fundamental aspects revisited. Surf. Sci. Rep. 46 (1-8), 1-308 (2002).
- Hodgson, A., Haq, S. Water adsorption and the wetting of metal surfaces. Surf. Sci. Rep. 64 (9), 381-451 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- Soper, A. K., Benmore, C. J. Quantum differences between heavy and light water. Phys. Rev. Lett. 101 (6), 065502 (2008).
- 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).
- Eigler, D. M., Schweizer, E. K. Positioning single atoms with as a scanning tunneling microscope. Nature. 344 (6266), 524-526 (1990).
- Stroscio, J. A., Eigler, D. M. Atomic and molecular manipulation with the scanning tunneling microscope. Science. 254 (5036), 1319-1326 (1991).
- Stipe, B. C., Rezaei, M. A., Ho, W. Single-molecule vibrational spectroscopy and microscopy. Science. 280 (5370), 1732-1735 (1998).
- Ho, W. Single-molecule chemistry. J. Chem. Phys. 117 (24), 11033-11061 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- Michaelides, A., Morgenstern, K. Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces. Nat. Mater. 6 (8), 597-601 (2007).
- Feibelman, P. J. The first wetting layer on a solid. Phys. Today. 63 (2), 34-39 (2010).
- Carrasco, J., Hodgson, A., Michaelides, A. A molecular perspective of water at metal interfaces. Nat. Mater. 11 (8), 667-674 (2012).
- Kumagai, T. Direct observation and control of hydrogen-bond dynamics using low-temperature scanning tunneling microscopy. Prog. Surf. Sci. 90 (3), 239-291 (2015).
- Maier, S., Salmeron, M. How does water wet a surface. Acc. Chem. Res. 48 (10), 2783-2790 (2015).
- JoVE Science Education Database. . Essentials of Organic Chemistry. Degassing Liquids with Freeze-Pump-Thaw Cycling. JoVE. , (2017).
- Guo, J., et al. Real-space imaging of interfacial water with submolecular resolution. Nat. Mater. 13 (2), 184-189 (2014).
- Guo, J., et al. Nuclear quantum effects of hydrogen bonds probed by tip-enhanced inelastic electron tunneling. Science. 352 (6283), 321-325 (2016).
- Meng, X., et al. Direct visualization of concerted proton tunnelling in a water nanocluster. Nat. Phys. 11 (3), 235-239 (2015).
- 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).
- Shiotari, A., Sugimoto, Y. Ultrahigh-resolution imaging of water networks by atomic force microscopy. Nat. Commun. 8, (2017).
- 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).
- Yoshida, S., et al. Probing ultrafast spin dynamics with optical pump-probe scanning tunnelling microscopy. Nat. Nanotechnol. 9 (8), 588-593 (2014).
- Mamin, H. J., et al. Nanoscale nuclear magnetic resonance with a nitrogen-vacancy spin sensor. Science. 339 (6119), 557-560 (2013).
- Staudacher, T., et al. Nuclear magnetic resonance spectroscopy on a (5-nanometer)3 sample volume. Science. 339 (6119), 561-563 (2013).
- Aslam, N., et al. Nanoscale nuclear magnetic resonance with chemical resolution. Science. 357 (6346), 67-71 (2017).
