電化學(xué)掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用

內(nèi)容概要

電化學(xué)掃描隧道顯微術(shù)（ECSTM）是將電化學(xué)與掃描隧道顯微術(shù)結(jié)合而生的一門原位科學(xué)研究技術(shù)，被廣泛用于物理、化學(xué)、生物、電子、材料等領(lǐng)域。本書力圖將此技術(shù)系統(tǒng)介紹給國內(nèi)廣大科學(xué)工作者，以期解決更多的現(xiàn)代科學(xué)研究中的問題。在編寫上力圖縮減理論推導(dǎo)演繹的篇幅，著重于介紹實(shí)際技術(shù)方法、應(yīng)用實(shí)例，力求好讀且可用。書中大多數(shù)研究結(jié)果出自作者本人或所在的研究室，許多結(jié)果尚屬首次發(fā)表。
本書可供高等院?；瘜W(xué)及相關(guān)專業(yè)高年級本科生、研究生，以及從事該領(lǐng)域研究的科研技術(shù)人員參考。

作者簡介

萬立駿
1957年7月生，1982年在大連理工大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，1996年在日本東北大學(xué)獲博士學(xué)位；現(xiàn)為中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士；任中國科學(xué)院化學(xué)研究所所長，中國科學(xué)院分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，北京分子科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室（籌）主任。
長期從事電化學(xué)掃描隧道顯微學(xué)、電化學(xué)和表面科學(xué)的交叉科學(xué)研究，將實(shí)驗(yàn)、儀器改造和理論研究相結(jié)合，利用電化學(xué)掃描隧道顯微術(shù)開展了表面電化學(xué)反應(yīng)、表面分子組裝和調(diào)控等研究，探索了電化學(xué)和納米交叉研究新方向。在Acc.
Chem.
Res.，PNAS，JACS等學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文300余篇；獲2009年發(fā)展中國家科學(xué)院化學(xué)獎、2007年國家自然科學(xué)獎二等獎、2005年北京市科學(xué)技術(shù)一等獎；應(yīng)邀擔(dān)任Acc.
Chem. Res.，JACS，Adv.
Mater.，PCCP和《中國科學(xué)》等學(xué)術(shù)期刊的編委或顧問編委；被選為英國皇家化學(xué)會“Fellow”、中國化學(xué)會副理事長、SPM及納米科技系列國際會議組委會委員等。

書籍目錄

《納米科學(xué)與技術(shù)》叢書序
第一版序
第二版前言
第一版前言
第1章 緒論
 1.1 雙電層結(jié)構(gòu)
 1.1.1 界面電荷
 1.1.2 雙電層結(jié)構(gòu)模型
 1.2 常用于固/液界面結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)
 1.2.1 超高真空研究方法
 1.2.2 電化學(xué)方法
 1.2.3 譜學(xué)方法
 1.2.4 顯微學(xué)與理論模擬
 參考文獻(xiàn)
第2章 電化學(xué)掃描隧道顯微術(shù)
 2.1 STM簡介
 2.1.1 STM的動作原理
 2.1.2
STM的兩種工作模式:恒電流和恒高度
 2.2 電化學(xué)STM
 2.2.1
電化學(xué)STM的工作環(huán)境及隧道理論
 2.2.2 電化學(xué)測量系統(tǒng)的構(gòu)成
 2.2.3 電化學(xué)STM裝置
 2.2.4 針尖
 參考文獻(xiàn)
第3章 電極制備及常用的電化學(xué)研究方法
 3.1 電極的種類、制備及其處理
 3.1.1 工作電極
 3.1.2 工作電極的處理
 3.1.3 參比電極的種類及制作
 3.1.4 對極的選擇
 3.1.5 電解池
 3.2 循環(huán)伏安法
 3.2.1 循環(huán)伏安曲線
 3.2.2 循環(huán)伏安曲線的分析
 3.3 微分電容
 3.3.1 微分電容的概念
 3.3.2 微分電容曲線應(yīng)用舉例
 參考文獻(xiàn)
第4章 二維表面及超晶格
 4.1 晶體學(xué)基本知識
 4.1.1 晶系及最常見晶體結(jié)構(gòu)
 4.1.2 晶體的晶向及晶面表示
 4.1.3 原子半徑和范德華半徑
 4.1.4 分子的大小和形狀
 4.2 二維表面及其標(biāo)定
 4.2.1
面心、體心及密排六方低指數(shù)晶面
 4.2.2 二維表面結(jié)構(gòu)的表示法
 4.2.3 微傾斜面的簡化表示法
 4.3 超晶格及其形成
 4.3.1 形成表面超晶格的方法
 4.3.2 物理吸附和化學(xué)吸附
 4.3.3
吸附物的價(jià)態(tài)及吸附分子構(gòu)型
 4.4 二維表面結(jié)構(gòu)信息的獲得
 4.4.1 低能電子衍射
 4.4.2 小角度X射線衍射
 4.4.3 X射線光電子譜
 4.4.4 俄歇電子譜
 4.4.5 紫外光電子譜
 參考文獻(xiàn)
第5章 溶液中的固體表面
 5.1 表面重構(gòu)
 5.1.1
熱誘導(dǎo)和表面吸附誘導(dǎo)的重構(gòu)
 5.1.2 電勢誘導(dǎo)的重構(gòu)
 5.1.3 Si(111)
 5.2 表面的單原子層氧化
 5.2.1 Au電極
 5.2.2 Pt電極
 參考文獻(xiàn)
第6章 原子及離子的吸附研究
 6.1 碘(I)原子的吸附結(jié)構(gòu)
 6.1.1 I在Pt表面的吸附結(jié)構(gòu)
 6.1.2
I在Au(111)和Ag(111)表面的吸附結(jié)構(gòu)
 6.1.3
I在Pd低指數(shù)面上的吸附結(jié)構(gòu)
 6.1.4
I在Rh、Ir、Cu、Ni等表面的吸附結(jié)構(gòu)
 6.2 溴(Br)及氯(Cl)的吸附結(jié)構(gòu)
 6.2.1 Br的吸附結(jié)構(gòu)
 6.2.2 Cl的吸附結(jié)構(gòu)
 6.3 硫酸根離子的吸附結(jié)構(gòu)
 6.3.1
硫酸根離子在Au(111)表面的吸附結(jié)構(gòu)
 6.3.2
硫酸根離子在Rh(111)表面的吸附結(jié)構(gòu)
 6.3.3
硫酸根離子在Ir(111)和Pd(111)表面的吸附結(jié)構(gòu)
 6.3.4
硫酸根離子在Pt(111)表面的吸附結(jié)構(gòu)
 6.3.5
硫酸根離子在Cu(111)表面的吸附結(jié)構(gòu)
 6.4 氰化物及硫氰化物的吸附結(jié)構(gòu)
 6.4.1
氰化物在Pt(111)表面的吸附結(jié)構(gòu)
 6.4.2 硫氰化物的吸附結(jié)構(gòu)
 參考文獻(xiàn)
第7章 有機(jī)分子的研究
 7.1 苯、雜環(huán)分子及其衍生物
 7.1.1 苯及芳香烴類分子
 7.1.2 吡啶及雜環(huán)分子
 7.2 分子識別
 7.2.1
針尖結(jié)構(gòu)的變化可以提高STM的分辨率
 7.2.2
針尖電子態(tài)的變化對STM圖像的影響
 7.2.3
利用修飾的針尖對分子中官能團(tuán)的識別
 7.3 表面手性現(xiàn)象的研究
 7.3.1 分子絕對手性的識別
 7.3.2 手性分子的二維組裝結(jié)構(gòu)
 7.3.3
手性分子修飾形成的特殊表面結(jié)構(gòu)
 7.3.4 結(jié)論與展望
 7.4 電勢誘導(dǎo)的表面相變
 7.4.1 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 7.4.2 STM結(jié)果
 參考文獻(xiàn)
第8章 表面自組裝結(jié)構(gòu)
 8.1 硫的吸附及二聚體
 8.1.1
硫原子在Au(111)表面的吸附及二聚體結(jié)構(gòu)
 8.1.2
硫原子在Cu(111)表面的吸附
 8.1.3
硫醇分子在Au(111)表面的二聚結(jié)構(gòu)
 8.2 杯芳烴在Au(111)上的吸附結(jié)構(gòu)研究
 8.2.1
杯[4]芳烴吸附層的有序性隨取代基的變化規(guī)律
 8.2.2
取代基對杯[4]芳烴自組裝結(jié)構(gòu)——分子取向及對稱性的影響
 8.2.3
杯[6]芳烴在Au(111)上的構(gòu)象固定
 8.2.4
杯[8]芳烴及杯[8]芳烴/C<sub>60</sub>二維納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑
 8.2.5 結(jié)論
 8.3 復(fù)合物在固液界面的組裝
 8.3.1 電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物
 8.3.2
電化學(xué)構(gòu)筑新型C<sub>60</sub>與PPV衍生物復(fù)合自組裝膜
 8.4 金屬配合物的組裝
 8.4.1 電化學(xué)研究
 8.4.2 乙酸根的吸附結(jié)構(gòu)
 8.4.3 NPYME的吸附結(jié)構(gòu)
 8.4.4
Co<sup>2+</sup>與NPYME配合物的吸附結(jié)構(gòu)
 參考文獻(xiàn)
第9章 金屬的沉積、溶解腐蝕及表面納米結(jié)構(gòu)構(gòu)筑與控制
 9.1 金屬的沉積與欠電位沉積
 9.1.1 欠電位沉積
 9.1.2
Cu在Au(111)電極表面的欠電位沉積過程
 9.1.3
Tl在Pt(111)電極表面的欠電位沉積過程
 9.2 金屬的溶解與腐蝕
 9.2.1 金屬的鈍化
 9.2.2
金屬表面原子溶解及緩蝕劑層結(jié)構(gòu)的研究
 9.3 表面納米結(jié)構(gòu)構(gòu)筑及控制
 9.3.1
分子操縱與分子納米結(jié)構(gòu)構(gòu)筑
 9.3.2 電化學(xué)方法制備的納米陣列
 9.3.3 光誘導(dǎo)方法制備的納米陣列
 9.3.4
共吸附對雜杯芳烴組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)控
 參考文獻(xiàn)
第10章 電化學(xué)STM在環(huán)境、生物和能源研究中的應(yīng)用
 10.1 電化學(xué)STM在環(huán)境研究中的應(yīng)用
 10.1.1 染料分子羅丹明B
 10.1.2 曙紅分子的二聚體結(jié)構(gòu)
 10.1.3 苯酚類化合物
 10.2 DNA堿基和氨基酸在固/液界面的吸附
 10.2.1
DNA堿基在固體表面的吸附
 10.2.2
氨基酸分子的表面結(jié)構(gòu)研究
 10.3 葉綠素c分子在固體表面的吸附
 10.3.1 細(xì)菌葉綠素c分子
 10.3.2 脫植基葉綠素c分子
 10.4 生物大分子在固體表面的吸附
 10.5 燃料電池
 參考文獻(xiàn)
彩圖

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：由上面的討論可知，電化學(xué)STM中針尖既是隧道針尖，又是超微電極。通過針尖的電流由電子隧穿電流和法拉第電流兩部分組成。為了解決法拉第電流產(chǎn)生的影響，研究者現(xiàn)在利用探針封裝技術(shù)，可以做到將針尖整體全部絕緣，而只保留針尖頂端極少局域部分（理想狀態(tài)只露出一個(gè)原子）。這種方法保證了針尖不受溶液的影響，而能穩(wěn)定工作。對電化學(xué)STM而言，隧道電流不得不考慮水層的影響，一些研究小組已經(jīng)研究了水溶液中的隧道勢壘問題，他們發(fā)現(xiàn)水溶液中的隧道勢壘接近或小于真空勢壘。在有、無有機(jī)分子吸附的情況下，研究了以偏壓、電極電位為函數(shù)的隧道勢壘情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隧穿電阻與針尖一樣品間距離為非指數(shù)關(guān)系。在真空隧穿過程中，非指數(shù)關(guān)系只會在針尖一樣品間距非常?。▋H幾個(gè)埃）的時(shí)候出現(xiàn)，而且這時(shí)的隧道勢壘已經(jīng)消失。Lindsay及其合作伙伴在溶液中觀察到非指數(shù)關(guān)系在針尖一樣品間距很大時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)了，說明水層在這里起著重要的作用Ⅲ2引。例如，由電極引起的水層結(jié)構(gòu)的變化或水團(tuán)簇自身尺寸的變化，將導(dǎo)致針尖一樣品之間水層結(jié)構(gòu)的改變，使隧道結(jié)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生了不同的隧道電流。另外，穿過水層的隧穿電流與偏壓的極性有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，電子從針尖到基底的隧穿勢壘與其反向隧穿勢壘截然不同。當(dāng)針尖一樣品間距小于4A時(shí)，這種不對稱現(xiàn)象變得十分明顯。研究認(rèn)為，這是偏壓極性的改變引起電極表面水分子取向變化所致。X射線研究驗(yàn)證了電極電位所引起的水分子取向重排_，數(shù)值模擬表明，水分子取向的變化能導(dǎo)致明顯的不對稱隧穿勢壘。然而，僅水分子取向的變化并不能充分解釋隧穿電流的不對稱性。電化學(xué)STM中有兩個(gè)電極，即針尖和基底。如果這兩個(gè)電極上的水分子取向相同，那么隧穿勢壘就應(yīng)該總是對稱的，所以說，勢壘的不對稱性也與針尖的幾何形狀有關(guān)，并且在針尖附近的水分子能夠排列成不同的結(jié)構(gòu)。

編輯推薦

《電化學(xué)掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用(第2版)》是納米科學(xué)與技術(shù)系列之一。

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