Name: probing the structure and dynamics of interfacial water with scanning tunneling microscopy and spectroscopy
Uploaded: 2018-05-27T13:00:00
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Ce travail est financé par le National clé de R & D programme sous 2017YFA0205003 et Grant No. 2016YFA0300901 2016YFA0300903, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine sous le Grant No. 11634001, 11290162/A040106. Y.J. reconnaît la prise en charge par le Fonds National de la Science d’éminents savants de Young et Cheung Kong Young Scholar Program. J. G. reconnaît en faveur du programme Postdoctoral National Talents novateurs.

Remarque : Les expériences sont effectuées sur les molécules d’eau adsorbées sur le film de NaCl(001) UA-assisté (Figure 1a) à 5 K avec un ultravide de STM cryogénique (UHV) équipé du contrôleur électronique Nanonis.
1. fabrication de l’échantillon expérimental
<ol><li>
Nettoyer le monocristal au (111)
	<ol>
<li>Pompe de la conduite de gaz à la pression de ~ 10-7 mbar et rincer ensuite la conduite d...

<ol>
	<li>Thiel, P. A., Madey, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+interaction+of+water+with+solid+surfaces:+Fundamental+aspects.">The interaction of water with solid surfaces: Fundamental aspects.</a> Surf. Sci. Rep. 7 (6-8), 211-385 (1987).</li><li>Henderson, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+interaction+of+water+with+solid+surfaces:+fundamental+aspects+revisited.">The interaction of water with solid surfaces: fundamental aspects revisited.</a> Surf. Sci. Rep. 46 (1-8), 1-308 (2002).</li><li>Hodgson, A., Haq, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water+adsorption+and+the+wetting+of+metal+surfaces.">Water adsorption and the wetting of metal surfaces.</a> Surf. Sci. Rep. 64 (9), 381-451 (2009).</li><li>Brougham, D. F., Caciuffo, R., Horsewill, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coordinated+proton+tunnelling+in+a+cyclic+network+of+four+hydrogen+bonds+in+the+solid+state.">Coordinated proton tunnelling in a cyclic network of four hydrogen bonds in the solid state.</a> Nature. 397 (6716), 241-243 (1999).</li><li>Andreani, C., Colognesi, D., Mayers, J., Reiter, G. F., Senesi, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+momentum+distribution+of+light+atoms+and+molecules+in+condensed+matter+systems+using+inelastic+neutron+scattering.">Measurement of momentum distribution of light atoms and molecules in condensed matter systems using inelastic neutron scattering.</a> Adv. Phys. 54 (5), 377-469 (2005).</li><li>Shen, Y. R., Ostroverkhov, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sum-frequency+vibrational+spectroscopy+on+water+interfaces:+Polar+orientation+of+water+molecules+at+interfaces.">Sum-frequency vibrational spectroscopy on water interfaces: Polar orientation of water molecules at interfaces.</a> Chem. Rev. 106 (4), 1140-1154 (2006).</li><li>Soper, A. K., Benmore, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+differences+between+heavy+and+light+water.">Quantum differences between heavy and light water.</a> Phys. Rev. Lett. 101 (6), 065502 (2008).</li><li>Kimmel, G. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polarization-+and+azimuth-resolved+infrared+spectroscopy+of+water+on+TiO2(110):+Anisotropy+and+the+hydrogen-bonding+network.">Polarization- and azimuth-resolved infrared spectroscopy of water on TiO2(110): Anisotropy and the hydrogen-bonding network.</a> J. Phys. Chem. Lett. 3 (6), 778-784 (2012).</li><li>Eigler, D. M., Schweizer, E. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Positioning+single+atoms+with+as+a+scanning+tunneling+microscope.">Positioning single atoms with as a scanning tunneling microscope.</a> Nature. 344 (6266), 524-526 (1990).</li><li>Stroscio, J. A., Eigler, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+and+molecular+manipulation+with+the+scanning+tunneling+microscope.">Atomic and molecular manipulation with the scanning tunneling microscope.</a> Science. 254 (5036), 1319-1326 (1991).</li><li>Stipe, B. C., Rezaei, M. A., Ho, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-molecule+vibrational+spectroscopy+and+microscopy.">Single-molecule vibrational spectroscopy and microscopy.</a> Science. 280 (5370), 1732-1735 (1998).</li><li>Ho, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-molecule+chemistry.">Single-molecule chemistry.</a> J. Chem. Phys. 117 (24), 11033-11061 (2002).</li><li>Repp, J., Meyer, G., Stojkovic, S. M., Gourdon, A., Joachim, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecules+on+insulating+films:+Scanning-tunneling+microscopy+imaging+of+individual+molecular+orbitals.">Molecules on insulating films: Scanning-tunneling microscopy imaging of individual molecular orbitals.</a> Phys. Rev. Lett. 94 (2), 026803 (2005).</li><li>Weiss, C., Wagner, C., Temirov, R., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+imaging+of+intermolecular+bonds+in+scanning+tunneling+microscopy.">Direct imaging of intermolecular bonds in scanning tunneling microscopy.</a> J. Am. Chem. Soc. 132 (34), 11864-11865 (2010).</li><li>Verdaguer, A., Sacha, G. M., Bluhm, H., Salmeron, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+structure+of+water+at+interfaces:+Wetting+at+the+nanometer+scale.">Molecular structure of water at interfaces: Wetting at the nanometer scale.</a> Chem. Rev. 106 (4), 1478-1510 (2006).</li><li>Michaelides, A., Morgenstern, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice+nanoclusters+at+hydrophobic+metal+surfaces.">Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces.</a> Nat. Mater. 6 (8), 597-601 (2007).</li><li>Feibelman, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+first+wetting+layer+on+a+solid.">The first wetting layer on a solid.</a> Phys. Today. 63 (2), 34-39 (2010).</li><li>Carrasco, J., Hodgson, A., Michaelides, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+molecular+perspective+of+water+at+metal+interfaces.">A molecular perspective of water at metal interfaces.</a> Nat. Mater. 11 (8), 667-674 (2012).</li><li>Kumagai, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+observation+and+control+of+hydrogen-bond+dynamics+using+low-temperature+scanning+tunneling+microscopy.">Direct observation and control of hydrogen-bond dynamics using low-temperature scanning tunneling microscopy.</a> Prog. Surf. 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Mater. 13 (2), 184-189 (2014).</li><li>Guo, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nuclear+quantum+effects+of+hydrogen+bonds+probed+by+tip-enhanced+inelastic+electron+tunneling.">Nuclear quantum effects of hydrogen bonds probed by tip-enhanced inelastic electron tunneling.</a> Science. 352 (6283), 321-325 (2016).</li><li>Meng, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+visualization+of+concerted+proton+tunnelling+in+a+water+nanocluster.">Direct visualization of concerted proton tunnelling in a water nanocluster.</a> Nat. Phys. 11 (3), 235-239 (2015).</li><li>Thuermer, K., Nie, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+hexagonal+and+cubic+ice+during+low-temperature+growth.">Formation of hexagonal and cubic ice during low-temperature growth.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110 (29), 11757-11762 (2013).</li><li>Shiotari, A., Sugimoto, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrahigh-resolution+imaging+of+water+networks+by+atomic+force+microscopy.">Ultrahigh-resolution imaging of water networks by atomic force microscopy.</a> Nat. Commun. 8, (2017).</li><li>Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-space+imaging+of+transient+carrier+dynamics+by+nanoscale+pump-probe+microscopy.">Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy.</a> Nat. Photonics. 4 (12), 869-874 (2010).</li><li>Yoshida, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+ultrafast+spin+dynamics+with+optical+pump-probe+scanning+tunnelling+microscopy.">Probing ultrafast spin dynamics with optical pump-probe scanning tunnelling microscopy.</a> Nat. Nanotechnol. 9 (8), 588-593 (2014).</li><li>Mamin, H. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+nuclear+magnetic+resonance+with+a+nitrogen-vacancy+spin+sensor.">Nanoscale nuclear magnetic resonance with a nitrogen-vacancy spin sensor.</a> Science. 339 (6119), 557-560 (2013).</li><li>Staudacher, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nuclear+magnetic+resonance+spectroscopy+on+a+(5-nanometer)3+sample+volume.">Nuclear magnetic resonance spectroscopy on a (5-nanometer)3 sample volume.</a> Science. 339 (6119), 561-563 (2013).</li><li>Aslam, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+nuclear+magnetic+resonance+with+chemical+resolution.">Nanoscale nuclear magnetic resonance with chemical resolution.</a> Science. 357 (6346), 67-71 (2017).</li></ol>

Pour sonder la structure interne, la dynamique et la spectroscopie vibrationnelle des molécules d’eau adsorbée sur les surfaces solides, en accordant une attention particulière pour les degrés de liberté, de l’hydrogène, des mesures expérimentales sont d’une importance cruciale, qui sera examinées dans les paragraphes suivants.
L’imagerie orbitale des molécules d’eau est réalisé à l’issu des deux étapes clés. Tout d’abord, les films isolants de NaCl découpler l’e...

Les interactions entre l’eau et les surfaces des matériaux solides sont impliquées dans divers processus de réaction de surface, tels que la catalyse hétérogène, photoconversion, électrochimie, la corrosion et la lubrification et al. 1 , 2 , 3 en général, pour étudier l’eau interfaciale, spectroscopique et diffraction techniques sont couramment utilisés, telles que la spectroscopie infrarouge et Raman, génération de fréquence Somme (SFG), diffraction des rayons x (DRX), résonance magnétique nucléaire (RMN), neutron scattering4,5,6,7,8. Cependant, ces méthodes souffrent de la limite de résolution spatiale, spectrale élargissant et en moyenne les effets.
STM est une technique prometteuse pour surmonter ces limitations, qui combine la résolution spatiale de sub-Ångström, manipulation atomique et de la sensibilité vibratoire-liaison simple9,10,11,12 , 13 , 14. depuis le début de ce siècle, STM a été largement appliqué pour étudier la structure et la dynamique de l’eau sur les surfaces solides3,15,16,17, 18,19,20. En outre, la spectroscopie vibrationnelle issue des STM pourrait provenir de la conductance de tunneling différentielle dérivée seconde (d2j’ai / dV2), également connu comme d’inélastique electron tunneling spectroscopie (IETS). Cependant, résoudre la structure interne, c'est-à-dire les liaisons hydrogènes directionnalité et l’acquisition de la spectroscopie vibrationnelle fiable d’eau sont toujours difficiles. La principale difficulté réside en ce que l’eau est une molécule proche de shell, dont orbitales frontières sont loin de la fF, ainsi les électrons de la pointe de la STM peuvent difficilement passer dans les États de résonance moléculaire de l’eau, conduisant à la pauvre rapport signal-bruit d’imagerie moléculaire et la spectroscopie vibrationnelle.
Eau adsorbée sur les films soutenus par UA NaCl(001) est un système idéal pour échelle atomique enquête par STM avec une Cl se terminant par extrémité (Figure 1a), qui est jouée à 5 K en milieu ultravide (UHV) avec une pression de base mieux que 8 × 10-11 mbar. D’une part, les films isolants de NaCl dissocient les molécules d’eau par voie électronique du substrat Au donc orbitales frontières natif d’eau sont préservés et la durée de vie des électrons résidant dans l’état de résonance moléculaire se prolonge. En revanche, la pointe de la STM pourrait régler efficacement l’orbitale frontière d’eau vers la EF via pointe-eau de couplage, surtout quand la pointe est fonctionnalisée avec un atome de Cl. Ces étapes clés permettent une orbitale imagerie et spectroscopie vibrationnelle des monomères de l’eau et des grappes. En outre, les molécules d’eau peuvent être manipulés d’une manière bien contrôlée, en raison de la forte interaction électrostatique entre la Cl-pointe chargée négativement et l’eau.
Dans le présent rapport, les procédures de préparation de l’échantillon et la pointe se terminant par Cl pour l’enquête de la STM sont décrites en détail dans la section 1 et 2, respectivement. À l’article 3, les auteurs décrivent l’orbitale d’imagerie technique, par lequel la directionnalité de O-H de monomère de l’eau et du tétramère sont résolus. L’IETS pointe renforcée est introduit à l’article 4, qui permet la détection des modes de vibration des molécules d’eau à la limite de la liaison simple et la détermination de la résistance des liaisons hydrogènes avec une grande précision du décalage vers le rouge dans l’étirement de l’oxygène-hydrogène fréquence de l’eau. À l’article 5, nous montrons comment le tétramère de l’eau peut être construit et commuté par manipulation de pointe contrôlé. Basé sur l’orbitale imagerie, spectroscopie et des techniques de manipulation, les expériences de substitution isotopique peuvent être effectuées pour sonder la nature quantique des protons dans l’eau interfaciale, tels que le tunnel quantique et le mouvement de point zéro.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:632px;" width="633">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Au(111) single crystal</td>
			<td style="width:131px;">MaTeck</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">NaCl</td>
			<td style="width:131px;">Sigma Aldrich</td>
			<td align="right">450006</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Water, deuterium-depleted&#160;</td>
			<td style="width:131px;">Sigma Aldrich</td>
			<td align="right">195294</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Deuterium oxide&#160;</td>
			<td style="width:131px;">Sigma Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:119px;">364312</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Sealed-off glass-UHV adapters</td>
			<td style="width:131px;">MDC vacuum products</td>
			<td align="right" style="width:119px;">46300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Diaphragm-sealed valve</td>
			<td style="width:131px;">any</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Bellows-sealed valve</td>
			<td style="width:131px;">any</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Leak valve</td>
			<td style="width:131px;">Kurt J. Lesker&#160;</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Scanning tunneling microscopy</td>
			<td style="width:131px;">CreaTec</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Electronic controller.</td>
			<td style="width:131px;">Nanonis&#160;</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Tungsten wire</td>
			<td style="width:131px;">any</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>diameter:0.3 mm; purity: 99.95%</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

probing the structure and dynamics of interfacial water with scanning tunneling microscopy and spectroscopy

Des interfaces solide/eau sont omniprésentes et jouent un rôle clé dans de nombreux procédés environnementaux, technologiques et biophysiques. Résoudre la structure interne et la dynamique des liaisons hydrogènes (liaisons hydrogènes) des molécules d’eau adsorbées sur des surfaces solides de sondage sont des questions fondamentales de la science de l’eau, qui reste un grand défi en raison de la masse légère et de petite taille d’hydrogène. Scanning tunneling microscope (STM) est un outil prometteur pour s’attaquer à ces problèmes, grâce à ses capacités de résolution spatiale sup-Ångström, liaison simple sensibilité vibratoire et manipulation atomique et moléculaire. Le système expérimental conçu se compose d’un embout de Cl se terminant par un échantillon fabriqué en dosant l’eau molécules in situ sur l’UA (111)-prise en charge des surfaces de NaCl(001). Les films isolants de NaCl découpler électroniquement l’eau depuis les substrats métalliques, donc orbitales frontières intrinsèques des molécules d’eau sont préservés. Le Cl-Astuce facilite la manipulation des molécules d’eau unique, ainsi que Gate les orbitales d’eau à proximité du niveau de Fermi (EF) par couplage de la pointe-eau. Cet article décrit les méthodes détaillées de l’imagerie de résolution submolecular, la manipulation atomique/moléculaire et la spectroscopie vibrationnelle-liaison simple d’eau interfaciale. Ces études ouvrent une nouvelle voie pour l’étude des systèmes de liaisons hydrogènes à l’échelle atomique.

Figure 1 un illustre le schéma de l’installation expérimentale de la STM. Tout d’abord, au (111) substrat est nettoyé par pulvérisation cathodique et recuit de cycles dans la chambre d’UHV. L’échantillon au (111) propre montre 22 × / 3 surface reconstruite, où les atomes de la couche superficielle occupent le hcp et les sites de FAC, formant des structures de chevrons (illustration de la Figure 1<s...

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Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

Sonder la Structure et la dynamique de l’eau interfaciale avec Scanning Tunneling microscope et spectroscopie

Nous présentons ici un protocole visant à étudier la structure et la dynamique de l’eau interfaciale à l’échelle atomique, en ce qui concerne l’imagerie de résolution submolecular, la manipulation moléculaire et la spectroscopie vibrationnelle-liaison simple.

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Preparation of Nanoparticles for ToF-SIMS and XPS Analysis

Préparation de nanoparticules pour l’analyse ToF-SIMS et XPS

Nanoparticles have gained increasing attention in recent years due to their potential and application in different fields including medicine, cosmetics, ...