原子尺度固体表面/界面电势和偶极矩无耦合同时定量快速测量理论方法研究

The potential and dipole moment are important physical quantities characterizing the basic properties of materials. To solve the current problem that measured value is single and coupling, and measuring system is incompatibility during surface/interface potential and dipole moment precision measurement, this project proposes a comprehensive, accurate and fast measurement method for solid surface/interface potential and dipole moment. Based on the atomic force microscope fast scanning technique, and the close correlation theory of dipole moment and dielectric constant, the surface/interface dipole moment and its induced potential measurement theory and the fast demodulation loading modulation frequency signal will be studied. The first and second-order resonant signal is used to measure the surface potential value, and the third-order resonant signal is used to extract the dipole moment information. Finally, the simultaneous, quantitative and rapid measurement of the potential and dipole moment with atomic resolution will be realized, and the key technical challenge that the determination of the surface potential and the dipole moment cannot be simultaneously determined and measured valued is coupling will be solved. The application objective is to explore the charge transport behavior of the classical catalytic functional material Au/TiO2 at the atomic scale. This method provides a multi-information and high-precision measurement technique for the intrinsic exploration of the physical and chemical properties of the material surface.

电势和偶极矩是表征材料基本属性的重要物理量。本项目针对目前表面/界面电势和偶极矩精密测量中测量值单一且耦合、测量系统不兼容的难题，提出一种原子尺度上固体表面/界面电势和偶极矩全、准、快的测量理论方法。拟基于原子分辨率级别的原子力显微镜快速扫描技术，偶极矩和介电常数密切关联理论，开展表面/界面偶极矩及其诱导电势测量理论与快速解调加载调制频率信号研究，通过一阶、二阶谐振信号测定表面电势值，利用三阶谐振信号提取偶极矩信息，实现原子尺度上电势与偶极矩同时、定量及快速的测量，解决表面电势和偶极矩无法同时测定和测定值耦合的关键技术难题。以从原子层面探索经典催化功能结构Au/TiO2反应过程中电荷传输行为为应用目标，为从本质上探索材料表面物理化学特性提供一个多信息高精度的测量技术手段。

针对目前表面/界面电势和偶极矩精密测量中测量值单一且耦合、测量系统不兼容的难题，提出一种原子尺度上固体表面/界面电势和偶极矩全、准、快的测量理论方法，重点研究了表面电势和偶极矩的同时测定法、二氧化钛表面吸附氧分子、一氧化碳分子、金纳米颗粒的结构及其电荷态，为原子尺度的表面电势及催化机理的阐明提供了一种新的研究思路。.按照项目计划，完成的研究内容具体如下：.（1）表面偶极矩测量理论方法：研究了表面偶极矩及其诱导电势测试理论，建立了三阶谐振信号与非线性介电常数ε(3)的理论，提出了表面偶极矩的测量理论方法；搭建了基于原子力显微镜系统的表面偶极矩及其诱导电势测量系统，实现了偶极矩诱导电势的测量。 .（2）表面电势和偶极矩同时测定：研究了表面电势和偶极矩同时测定理论，建立了原子尺度上同时定量测定表面电势和偶极矩理论模型；提出了偶极矩诱导电势的测量理论方法，设计了表面电势和偶极矩无耦合测定系统，通过实验验证，偶极矩诱导电势在表面电势的测量值中占23%。.（3）Au/TiO2 催化反应中电荷传输行为：研究了低温78K下吸附氧气分子的不同物理结构及在不同电压和电子激励下的氧分子形态；通过研究不同电荷态金纳米颗粒对氧气分子和一氧化碳分子的吸附行为，验证了研究不同电荷态金纳米颗粒的催化活性；通过研究氧气分子和一氧化碳分子在吸附和解离过程，确定了电子的来源和吸附分子对金纳米颗粒形态的影响。