STM在水-盐表面研究中的应用 汇报人：相成 杨蓓斯 喻佳 周炜杰 汇报时间：2017年11月28日

目 录 Introduction Advances Examples Prospective

Introduction 和频光谱（SFG） X射线衍射（XRD） 核磁共振（NMR） Y. R. Shen and V. Ostroverkhov, Chem. Rev. 106, 1140 (2006)

Recent Advances 实空间成像 real-space imaging 原子/分子操控 atom/molecule manipulation 单分子振动谱 single-molecule vibrational spectroscopy

研究对象 吸附在以金为衬底的双层NaCl(001)上的水 Recent Advances 研究对象 吸附在以金为衬底的双层NaCl(001)上的水 Jing Guo etc, Science 352.6283(2016)

实空间成像 real-space imaging Recent Advances 原子/分子操控 atom/molecule manipulation 单分子振动谱 single-molecule vibrational spectroscopy

STM观测下 水在以Au为衬底的NaCl薄膜成核现象 NaCl在Au表面 四种不同的水团簇 Ji Chen etc, Nat.Commun. 5:4056(2014)

NaCl薄膜上的双层冰的结构 四种不同的水团簇的具体结构 Ji Chen etc, Nat.Commun. 5:4056(2014)

NaCl薄膜上的双层冰的结构 其他水团簇也可以看成是水的4聚体，通过“成桥”的机制形成的 Ji Chen etc, Nat.Commun. 5:4056(2014)

NaCl薄膜上的双层冰的结构 四聚体 “成桥” 机制 从能量上来说，4聚体是比较稳定的 “成桥”机制：通过成桥方式，每个水 分子的吸附能几乎是稳定的，成桥的水 分子和临近的水分子、衬底的氯离子之 间都有作用，使得水分子间的相互作用 和水分子与衬底的作用都最大化了。 从吸附能上来说，4聚体比3、2聚体和单体吸附能大（主要是由于水分子之间的氢键变多） 而5聚体和6聚体，每个水分子的氢键没有增多，但水分子和衬底间的作用由于对称性破缺而明显削弱 所以4聚体是最稳定的 成桥的机制保证了以成桥的方式连接在一起之后，每个水分子的吸附能与4聚体的时候相当 Ji Chen etc, Nat.Commun. 5:4056(2014)

NaCl薄膜上的双层冰的结构 如果水分子足够多，会形成整齐排列的二维正方形结构，如图，红色方框是水4聚体，黄色的是用于成桥的水分子。在STM中亮点（白色框框）就是成桥的水分子。 Ji Chen etc, Nat.Commun. 5:4056(2014)

Submolecular resolution of a water monomer 高分辨STM下水单体的结构 Submolecular resolution of a water monomer Jing Guo etc, Nat.Mater. 13:3848(2014)

atom/molecule manipulation Recent Advances 实空间成像 real-space imaging 原子/分子操控 atom/molecule manipulation 单分子振动谱 single-molecule vibrational spectroscopy

水纳米团簇中协同质子隧穿的直接观测 Cl离子尖端的获取： 将STM的钨针尖进行金塑性和电化学腐蚀，然后逼近NaCl(001)表面获取Cl离子 Xiangzhi Meng etc, Nat.Phys. 11:3225(2015)

水纳米团簇中协同质子隧穿的直接观测 在其中任意一电流高度撤到初始高度，再扫描水四聚体来验证所产生的手性。电流的高低对应着逆时针态与顺时针态。 Xiangzhi Meng etc, Nat.Phys. 11:3225(2015)

水纳米团簇中协同质子隧穿的直接观测 转换速率独立于 强度、样品偏置的极性、 隧穿电流、温度； 受针尖高度影响 Xiangzhi Meng etc, Nat.Phys. 11:3225(2015)

水纳米团簇中协同质子隧穿的直接观测 还受对称性的影响 Xiangzhi Meng etc, Nat.Phys. 11:3225(2015)

水纳米团簇中协同质子隧穿的直接观测 针尖高度为3.5 Å左右反应势垒达到极小值 能量高度很难被热涨落或热电子喷射逾越，质子转移是由量子隧穿所导致。 Xiangzhi Meng etc, Nat.Phys. 11:3225(2015)

single-molecule vibrational spectroscopy Recent Advances 实空间成像 real-space imaging 原子/分子操控 atom/molecule manipulation 单分子振动谱 single-molecule vibrational spectroscopy

非弹性电子隧穿谱 Xiangzhi Meng etc, Science 352.6283(2016)

可用STM探测的其他方向 其他可能 Prospective confined water water hydration nuclear quantum effect 其他可能 Detailed topology of the H-bonded network —— nc-AFM Ultrafast H-bonding dynamics —— laser-combined STM Non-perturbative scanning probe technique —— NV-SPM

References Yuen Ron Shen etc. “Sum-Frequency Vibrational Spectroscopy on Water Interfaces: Polar Orientation of Water Molecules at Interfaces”, J.Chem.Phys. 106,1140(2006) Jing Guo etc. “Perspective: Structure and dynamics of water at surfaces probed by scanning tunneling microscopy and spectroscopy”, J.Chem.Phys. 145, 160901(2016) Jing Guo etc. “Real-space imaging of interfacial water with submolecular resolution”,Nat.Mater. 13:3848(2014) Ji Chen etc. “An unconventional bilayer ice structure on a NaCl(001) film”, Nat.Commun. 5:4056(2014) Xiangzhi Meng etc. “Direct visualization of concerted proton tunneling in a water nanocluster”,Nat.Phys. 11:3225(2015) Jing Guo etc. “Nuclear quantum effects of hydrogen bonds probed by tip-enhanced inelastic electron tunneling”, Science 352.6283(2016)

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