使用单个氧原子作为传感器，以在原子尺度上尽可能地轻轻地研究表面

时间：2022-04-24 14:25:04 来源：

表面的高分辨率图片：氧吸附物清晰可见（橙色）。

氧气具有高度反应性。它积聚在许多表面上并确定其化学行为。在维也纳技术大学，科学家研究了氧气和金属氧化物表面之间的相互作用，在许多技术应用中起重要作用 - 从化学传感器和催化剂到电子产品。

然而，在不改变它们的情况下，非常难以研究金属氧化物表面上的氧分子。在Tu Wien，现在已经通过特殊技巧实现了这一点：单个氧原子连接到原子力显微镜的尖端，然后在表面上轻轻地引导。测量表面和氧原子之间的力，并且具有极高分辨率的图像。结果现已发表在journalpnas中。

不同种类的氧气

“近年来，氧气如何附着在金属氧化物表面上，采用了相当多的研究，”涂尔特·维也纳应用物理研究所教授说。“O2分子是否保持完整，或者它们分解成单个原子？或者可以将所谓的四氧形形式，四个原子的复合物？这些问题对于了解金属氧化物表面上的化学反应非常重要。“

不幸的是，拍摄这些原子的照片并不容易。扫描隧道显微镜通常用于通过原子图像原子。细尖以极短的距离通过样品，使得近距离电子可以在样品和尖端之间通过。测量结果的微小电流。然而，这种方法不能用于氧气分子 - 它们将变得电荷并完全改变其行为。

研究金属氧化物表面上的氧分子非常困难而不改变它们。在Tu Wien，现在已经通过特殊技巧实现了这一点：单个氧原子连接到原子力显微镜的尖端，然后在表面上轻轻地引导。测量表面和氧原子之间的力，并且具有极高分辨率的图像。

维也纳科学家使用原子力显微镜。这里也是薄的尖端在表面上移动。在这种情况下，没有电流流动，但是测量在尖端和表面之间作用的力。一个特殊的技巧是决定性的 - 提示的功能化：“首先被原子力显微镜的尖端捕获单个氧原子，然后在表面上移动，”Igor Sokolovic解释。因此，氧原子用作高度敏感的探针，以通过点检查表面点。

由于没有电流流动和氧原子从未与表面完全接触，因此该方法非常温和，并且不会改变金属氧化物表面上的原子。以这种方式，可以详细检查金属氧化物上的氧沉积物的几何形状。

一个多功能的方法

“近年来，通过将一个非常特异的原子放置一个非常特异性原子的这种官能化，我们现在首次显示它可以应用于金属氧化物表面，”Setvin说。

事实证明，氧分子可以以不同的方式连接到金属氧化物上 - 无论是在表面的钛原子上还是在某些位置，其中缺少氧原子。取决于温度，然后可以将氧分子分成两种磷脂原子。然而，没有氧氧杂环 - 发现了四种氧原子的假想复合物。

“我们以这种方式检查的钛氧化钛表面是将这种方法进行测试的原型案例，”Martin Setvin解释说。“但我们从我们的实验中获得的见解也适用于许多其他材料。”具有原子力显微镜中的具有功能化尖端的显微镜是一种多功能方法，用于在没有破坏的情况下，具有原子分辨率的表面结构，无需销毁。

参考：“通过非接触的原子力显微镜分辨在金红石TiO2（110）表面上的分子O2的吸附”“通过IgorSokolović，米歇尔·克里奇维奥利，MartinČalkovský，Margareta Wagner，Michael Schmid，Cesare Franchini，Ulrike Diebold和MartinSetvín，6月11日2020年，国家科学院的诉讼程序.DOI：
10.1073 / PNA.192452117

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