水分子在Bi111表面上的吸附和自组装.PDFVIP

中国科学: 化学 2016 年 第46 卷 第4 期: 389 ~ 393 《中国科学》杂志社 SCIENTIA SINICA Chimica SCIENCE CHINA PRESS 论 文 水分子在Bi(111)表面上的吸附和自组装 张瑶, 李照兵, 张鑫, 陶敏龙, 孙凯, 涂玉兵, 肖华芳, 郝少杰, 叶娟, 王俊忠 西南大学物理科学与技术学院, 重庆 400715 *通讯作者, E-mail: jzwangcn@ 收稿日期: 2015-07-20; 接受日期: 2015-08-21; 网络版发表日期: 2016-03-03 国家自然科学基金(编号:资助项目 摘要 利用低温扫描隧道显微镜(STM)研究了水分子在半金属 Bi(111)表面的吸附和自组装. 当沉积速率比较 低时, 水分子主要以单体和二聚体的形式吸附在衬底表面. 高分辨 STM 图表明, 水单体平躺在衬底表面且占据 on-top 位. 水二聚体表现为平行于衬底晶轴方向的两个亮点. 当沉积速率比较高时, 水分子自组装为单分散的六 聚体阵列. 每个六聚体表现为由 3 个亮点组成的三角形, 其 3 个边分别平行于衬底晶轴方向. 进一步分析表明, 六聚体的3 个亮点来自处于高位的 3 个水分子, 一个H 原子指向衬底上方, 另一个H 原子用于分子间氢键. 处于 低位的另外 3 个水分子, 两个 H 原子参与分子间的氢键作用, 因而在 STM 图中不易被观察到. 我们认为, 在半 金属 Bi(111)表面上水分子的自组装是一个动力学控制的生长过程. 关键词 水, 扫描隧道显微术, 半金属 Bi(111)表面, 六聚体, 氢键 1 引言 裂解石墨(HOPG)[16,17], 绝缘性衬底 NaCl[18,19], 以及 氧化物表面TiO2[20]和FeO[21]等. 研究表明, 水在上述 水是人们赖以生存的最重要物质之一. 近年来 衬底上会形成各种纳米团簇, 如二聚体[22] [1] 、三聚体 、 关于界面水的研究引起了广泛关注. 随着表面科学 [18] [23,24] [3] 四聚体 、六聚体 、九聚体 等. 在一定条件下 的快速发展, 人们对水的固态结构、物理性质、结构 水分子会形成一维分子链[25,26]或二维水薄膜[27]. 相变、扩散和输运等进行了系统而深入的研究[1,2]. 特 研究水分子在固体表面的吸附和自组装, 不仅 别是在扫描隧道显微镜(STM) 问世之后, 人们对水薄 能加深人们对水分子结构和性质的认识, 还有助于 膜的研究取得了快速的发展. 得益于 STM 出色的空 理解冰的各种亚稳态结构. 分子间的氢键与分子-衬 间分辨能力, 人们不仅可以在亚分子尺度下观察水 底相互作用, 不仅决定了水分子团簇的构型, 而且还