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二维冰结构与生长的原子尺度成像研究

中国科学：物理学、力学、天文学 2020年第8期50卷 142-146页

作者：马润泽江颖北京大学物理学院量子材料科学中心北京100871

水和冰在自然界中广泛存在,冰的结构与成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学以及行星科学等众多领域具有至关重要的作用,如生物抗冻蛋白的抗结冰机理、抗结冰材料的研制、冰川间的相对滑移、大气臭氧降解催化、云和降水的形成... 详细信息

水和冰在自然界中广泛存在,冰的结构与成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学以及行星科学等众多领域具有至关重要的作用,如生物抗冻蛋白的抗结冰机理、抗结冰材料的研制、冰川间的相对滑移、大气臭氧降解催化、云和降水的形成等.这些过程往往与微观尺度上水分子与表面或者水分子之间的相互作用相关.受限于之前的研究方法和手段,尽管存在大量的实验和理论研究,冰成核和生长的微观机理却仍旧存在许多争议与疑问.因此,从原子尺度上对冰结构和成核生长过程进行准确的表征和研究具有极为重要的意义.近期,我们利用非接触式原子力显微镜(Non-Contact Atomic Force Microscope,NC-AFM),通过对qPlus针尖进行化学修饰,借助针尖与水分子之间的高阶静电力和泡利排斥力,成功实现了Au(111)表面上二维冰结构及其边界的高分辨成像,首次在原子尺度上揭示了二维冰成核生长的过程和机理,为疏水金属表面冰的初期生长提供了全新的认识.

关键词：原子力显微镜二维冰水分子结构生长

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利用低温生长法制备水纳米团簇和二维冰

电子显微学报 2016年第2期35卷 126-131页

作者：张鑫李照兵张瑶孙凯王俊忠西南大学物理科学与技术学院重庆400715

利用低温扫描隧道显微镜(LT-STM)研究了水分子在高定向裂解石墨(HOPG)表面的低温吸附和薄膜生长。在低覆盖度下,水分子在HOPG表面会形成二聚体,三聚体,甚至更大的自组装纳米团簇。在高覆盖度下,水分子形成单分子层厚的二维水膜,其面内... 详细信息

利用低温扫描隧道显微镜(LT-STM)研究了水分子在高定向裂解石墨(HOPG)表面的低温吸附和薄膜生长。在低覆盖度下,水分子在HOPG表面会形成二聚体,三聚体,甚至更大的自组装纳米团簇。在高覆盖度下,水分子形成单分子层厚的二维水膜,其面内结构是非共边的六边形蜂窝状结构,类似于体材料的Ice-II相。通过傅里叶变换和莫尔条纹分析,本文发现水膜和HOPG衬底之间存在不同的夹角,表明分子-衬底之间的相互作用很弱。

关键词：扫描隧道显微镜水团簇二维冰低温生长石墨表面

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利用低温生长法制备水纳米团簇及二维冰

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作者：张鑫西南大学

学位级别：硕士

水是生命所依赖的最重要物质,无论是在自然界,还是在科学技术领域,水都具有重要的应用价值。水-固界面一直是材料、生命科学、物理和化学领域研究的热点,从基础研究的角度看,关于界面水的研究不仅有助于理解氢键的本质,还可以探索氢原... 详细信息

水是生命所依赖的最重要物质,无论是在自然界,还是在科学技术领域,水都具有重要的应用价值。水-固界面一直是材料、生命科学、物理和化学领域研究的热点,从基础研究的角度看,关于界面水的研究不仅有助于理解氢键的本质,还可以探索氢原子的迁移机制。此外,界面水还有助于加深对大气科学以及天体物理等方面的认识。本实验利用低温生长法,在低温扫描隧道显微镜(LT-STM)下研究了水分子在高定向裂解石墨(HOPG)表面的吸附生长。研究发现,在不同的覆盖度下,水分子在石墨表面表现出不同的结合方式。低覆盖度下,在石墨表面观察到了水分子二聚体、三聚体及不同结构的水分子团簇。受到石墨衬底的六角对称性影响,水分子团簇的结构多选择三角或六角对称分布。此外,由于石墨表面的疏水性,水分子在石墨表面表现出很好的迁移性,不容易直接生长得到水分子单体,我们通过对探针施加脉冲的方式在石墨表面观察到了单个水分子,并在液氦温度(4.7K)下看到了水分子单体的分子轨道。随着覆盖度的增加,在样品由液氮温度(78K)升到室温的过程中,水分子形成单分子层厚的二维水膜,其面内结构是非共边的六边形蜂窝状结构,类似于体材料的Ice-II相。根据水分子在石墨表面沉积量的不同,水膜尺寸也由几十纳米到几微米不等。此外,我们在二维水膜表面观察到了多种形式的莫尔条纹,表明水膜与石墨衬底之间存在非共度关系。通过傅立叶变换研究发现,二维水膜在石墨表面发生了转动,莫尔条纹随着转动角度的不同表现出不同的形式,这也证明了水与石墨衬底之间存在较弱的范德瓦尔斯力。

关键词：扫描隧道显微镜水团簇二维冰低温生长石墨表面

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二维冰的结构及其生长机制研究进展

自然杂志 2020年第2期42卷 79-83页

作者：管冬江颖北京大学物理学院量子材料科学中心

水和冰在自然界中广泛存在,冰的结构与成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学以及行星科学等众多领域具有至关重要的作用,这些过程往往与微观尺度上水分子与表面或者水分子之间的相互作用相关。受限于之前的研究方法和手段,尽... 详细信息

水和冰在自然界中广泛存在,冰的结构与成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学以及行星科学等众多领域具有至关重要的作用,这些过程往往与微观尺度上水分子与表面或者水分子之间的相互作用相关。受限于之前的研究方法和手段,尽管存在大量的实验和理论研究,冰成核和生长的微观机理却仍旧存在许多争议与疑问。因此,从原子尺度上对冰结构和成核生长过程进行准确的表征和研究具有极为重要的意义。研究者利用超高真空低温扫描隧道显微镜(STM)和非接触式原子力显微镜(NC-AFM)联合系统,通过对qPlus针尖进行化学修饰,借助针尖与水分子之间的高阶静电力,成功实现在实空间中对Au(111)表面上的双层二维冰结构的高分辨成像,确认了其"互锁式"氢键构型,并进一步通过对二维冰边界结构的非侵扰式成像,首次观测到二维冰生长过程中边界上的一系列中间态和亚稳态。之后通过结合第一性原理计算和分子动力学模拟,提出了二维冰锯齿状和扶椅状边界的两种生长机制。这在原子尺度上揭示了二维冰成核生长的过程和机理,为研究原子尺度上冰的生长过程提供了一种新途径,并能拓展到广泛的二维材料体系研究中。

关键词：二维冰边界生长非接触原子力显微镜

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NaCl（001）表面新奇的二维冰结构

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