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表面上的單個(gè)原子或離子，影響從成核到電化學(xué)反應(yīng)以及多相催化的多個(gè)過(guò)程。透射電子顯微鏡(TEM)是一種主要的方法，可用來(lái)可視化的各種襯底上的單個(gè)原子。它通常需要高真空條件，但已被開(kāi)發(fā)用于液體和氣體環(huán)境中的原位成像，其結(jié)合的空間和時(shí)間分辨率是任何其他方法所無(wú)法比擬的，盡管有電子束對(duì)樣品的影響。

當(dāng)使用商業(yè)技術(shù)在液體中成像時(shí)，包裹樣品的窗口和液體中的電子散射，通常將可達(dá)到的分辨率限制在幾個(gè)納米。另一方面，石墨烯液體電池，實(shí)現(xiàn)了液體中金屬納米顆粒的原子分辨率成像。

在此，來(lái)自英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Roman Gorbachev & Sarah J. Haigh等研究者展示了一個(gè)雙石墨烯液體電池，其由中心的二硫化鉬單分子層組成，再用六方氮化硼間隔層與兩個(gè)封閉的石墨烯窗口隔開(kāi)，這使得在鹽溶液中以原子分辨率監(jiān)測(cè)單分子層上鉑吸附原子的動(dòng)力學(xué)成為可能。相關(guān)論文以題為“Tracking single adatoms in liquid in a Transmission Electron Microscope”于2022年07月27日發(fā)表在Nature上。

石墨烯，具有極薄、高機(jī)械強(qiáng)度、低原子序數(shù)、化學(xué)惰性、不滲透性和清除侵略性自由基的能力，是原位TEM電池的理想窗口材料。初始的石墨烯液體電池(GLC)設(shè)計(jì)，依賴于兩個(gè)石墨烯薄片之間液體囊的隨機(jī)形成，因此，在長(zhǎng)時(shí)間的電子暴露下，其產(chǎn)率較低，穩(wěn)定性較差。更先進(jìn)的設(shè)計(jì)，包括了SiN_x或六方氮化硼(hBN)的圖案間隔層來(lái)定義液體袋，從而改善了GLC幾何形狀和實(shí)驗(yàn)條件的控制。

在此，研究者開(kāi)發(fā)了一種雙石墨烯液體電池(DGLC)，用于在透射電鏡中研究原子薄膜上單個(gè)溶劑化金屬原子的運(yùn)動(dòng)。這是由于非原位STEM研究表明，液體環(huán)境的選擇，可以改變金屬原子從納米團(tuán)簇到單個(gè)原子的分布，但原位實(shí)驗(yàn)探測(cè)這種行為是不可行的，甚至在早期的研究中，單個(gè)原子在液體中的成像被證明是難以捉摸的。研究者的重點(diǎn)是MoS₂上的Pt，已有的豐富數(shù)據(jù)使其成為探索原子分辨率液體電池顯微鏡的局限性和潛力的理想模型系統(tǒng)。

DGLC如圖1a所示，由兩個(gè)hBN間隔層組成，每層數(shù)十納米厚，中間夾有二硫化鉬(MoS₂)單層。兩種hBN間隔都包含用電子束光刻和隨后的反應(yīng)離子蝕刻預(yù)圖紋的空洞。利用堆棧頂部和底部的幾層石墨烯(FLG)將液體樣品困在空隙中。原子平面的hBN晶體與石墨烯和MoS₂形成密封；如果電池局部破裂，這可以防止?jié)B漏，單個(gè)細(xì)胞之間的液體轉(zhuǎn)移和液體的完全損失。

研究表明，通過(guò)對(duì)70000多個(gè)單吸附原子吸附位點(diǎn)的成像，研究者比較了吸附原子在完全水合和真空狀態(tài)下的位置偏好和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，與真空相比，吸附原子在液相中的吸附位分布有所改變，擴(kuò)散系數(shù)也有所提高。這種方法，為單原子精度的化學(xué)過(guò)程原位液相成像鋪平了道路。

圖1. 雙液電池的設(shè)計(jì)

圖2. 水溶液環(huán)境中單Pt吸附原子在MoS₂上的吸附位點(diǎn)

圖3. 在液槽和真空中的首選吸附位點(diǎn)

圖4. 使用最近鄰鏈接的單原子跟蹤

綜上所述，盡管強(qiáng)調(diào)了理解電子束效應(yīng)和對(duì)復(fù)雜水合體系中原子行為進(jìn)行補(bǔ)充理論研究的重要性，但本文的結(jié)果表明了測(cè)量固液界面上吸附原子運(yùn)動(dòng)的能力。該實(shí)驗(yàn)技術(shù)廣泛適用于不同的材料系統(tǒng)，并提供了一種在不同環(huán)境中獲得以前無(wú)法獲得的原子解析、動(dòng)態(tài)、結(jié)構(gòu)信息的途徑，適用于物理科學(xué)中的許多不同系統(tǒng)。

文獻(xiàn)信息

Clark, N., Kelly, D.J., Zhou, M.?et al.?Tracking single adatoms in liquid in a Transmission Electron Microscope.?Nature?(2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05130-0

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05130-0

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