PEEM/LEEM技术在两维原子晶体表面物理化学研究中的应用

doi:10.3866/PKU.WHXB201512152

摘要/Abstract

摘要：

光发射电子显微镜(PEEM)/低能电子显微镜(LEEM)技术能够原位实时对表面结构、表面电子态和表面化学进行动态成像研究，在催化、能源、纳米、材料等领域有着重要的应用。本文着重介绍这两种技术的新进展，以及该技术在两维原子晶体的表面物理化学研究中的应用；包括原位研究两维原子晶体(石墨烯、氮化硼等)的生长、异质结构的形成、两维原子晶体表面下的插层反应和限域催化反应；将表面原位成像、微区低能电子衍射(μ-LEED)、图像亮度随电子束能量变化(I－V)曲线研究与其它表面表征技术相结合，能够有效理解两维层状材料表面以及层状材料与衬底界面上的动态过程。

关键词: 光发射电子显微镜, 低能电子显微镜, 二维原子晶体, 石墨烯, 界面反应, 催化

Abstract:

Photoemission electron microscopy (PEEM)/low energy electron microscopy (LEEM) are surface techniques that can be used to image surface structure, electronic states, and surface chemistry. Important applications of the technique in catalysis, energy, nano science, and material sciences have been seen. In this paper, we briefly introduce the principle of PEEM/LEEM and the recent advances of the technique. Then, some applications of PEEM/LEEM in dynamic studies of surface physics and chemistry of two-dimensional (2D) atomic crystals are highlighted, which include the growth of 2D atomic crystals, the formation of 2D heterostructures, the intercalation of the 2D materials, and chemical reactions confined under the 2D materials. Using surface imaging, micro-region low energy electron diffraction (μ-LEED), and the intensity–voltage (I–V) curves, the kinetics of 2D material growth and reactions at the 2D material/solid interfaces can be deeply understood.

Key words: Photoemission electron microscopy, Low energy electron microscopy, Two-dimensionalatomic crystal, Graphene, Interface reaction, Catalysis

MSC2000:

O647

宁艳晓,傅强,包信和. PEEM/LEEM技术在两维原子晶体表面物理化学研究中的应用[J]. 物理化学学报, 2016, 32(1): 171-182.

Yan-Xiao NING,Qiang FU,Xin-He BAO. Applications of PEEM/LEEM in Dynamic Studies of Surface Physics and Chemistry of Two-Dimensional Atomic Crystals[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2016, 32(1): 171-182.

参考文献

1	Tromp R. M. ; Reuter M. C. Ultramicroscopy 1991, 36 (1\|3), 99.
2	Engel W. ; Kordesch M. E. ; Rotermund H. H. ; Kubala S. ; von Oertzen A. Ultramicroscopy 1991, 36 (1\|3), 148.
3	Bauer E. Rep. Prog. Phys 1994, 57 (9), 895.
4	Tromp R. M. Ibm. J. Res. Develop 2000, 44 (4), 503.
5	Ertl G. Angew. Chem. Int. Edit 2008, 47 (19), 3524.
6	Imbihl R. J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom 2012, 185 (10), 347.
7	Luer Ben B. ; Janek J. ; Gunther S. ; Kiskinova M. ; Imbihl R. Phys. Chem. Chem. Phys 2002, 4 (12), 2673.
8	Luerβen B. ; Mutoro E. ; Fischer H. ; Günther S. ; Imbihl R. ; Janek J. Angew. Chem. Int. Edit 2006, 45 (9), 1473.
9	Man, K. L.; Altman, M. S. J. Phys.: Condens. Matter 2012, 24 (31), 314209. doi: 10.1088/0953-8984/24/31/314209.
10	Sutter P. ; Sutter E. Adv. Funct. Mater 2013, 23 (20), 2617.
11	Frazer B. H. ; Girasole M. ; Wiese L. M. ; Franz T. ; Stasio G. D. Ultramicroscopy 2004, 99 (2\|3), 87.
12	Fukidome H. ; Kotsugi M. ; Nagashio K. ; Sato R. ; Ohkochi T. ; Itoh T. ; Toriumi A. ; Suemitsu M. ; Kinoshita T. Sci. Rep 2014, 4, 3713.
13	Xiong G. ; Shao R. ; Peppernick S. J. ; Joly A. G. ; Beck K. M. ; Hess W. P. ; Cai M. ; Duchene J. ; Wang J. Y. ; Wei W. D. JOM 2010, 62 (12), 90.
14	Günther S. ; Kaulich B. ; Gregoratti L. ; Kiskinova M. Prog. Surf. Sci 2002, 70 (4\|8), 187.
15	Choi J. ; Wu J. ; Won C. ; Wu Y. Z. ; Scholl A. ; Doran A. ; Owens T. ; Qiu Z. Q. Phys. Rev. Lett 2007, 98 (20), 207205.
16	Chung W. F. ; Altman M. S. Ultramicroscopy 1998, 74 (4), 237.
17	Loginova E. ; Bartelt N. C. ; Feibelman P. J. ; McCarty K. F. New J. Phys 2009, 11 (6), 063046.
18	Bauer E. J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom 2012, 185 (10), 314.
19	Bauer E. Ultramicroscopy 2012, 119, 18.
20	Tromp R. M. ; Hannon J. B. ; Ellis A. W. ; Wan W. ; Berghaus A. ; Schaff O. Ultramicroscopy 2010, 110 (7), 852.
21	Tromp R. M. ; Hannon J. B. ; Wan W. ; Berghaus A. ; Schaff O. Ultramicroscopy 2013, 127 (25)
22	Cao N. ; Fu Q. ; Bao X. H. Bulletin of Chinese Academy of Sciences 2012, 27 (1), 103.
22	曹凝; 傅强; 包信和. 中国科学院院刊, 2012, 27 (1), 103.
23	Meyer zu Heringdorf F. J. ; Reuter M. ; Tromp R. Nature 2001, 412 (6846), 517.
24	Schmid A. K. ; Bartelt N. C. ; Hwang R. Q. Science 2000, 290 (5496)
25	Santos B. ; Loginova E. ; Mascaraque A. ; Schmid A. K. ; McCarty K. F. ; Figuera J. D. L. J. Phys.: Condens. Matter 2009, 21 (31), 314011.
26	Grinter D. C. ; Yim C. M. ; Pang C. L. ; Santos B. ; Menteş T. O. ; Locatelli A. ; Thornton G. J. Phys. Chem. C 2013, 117 (32), 16509.
27	Qin H. ; Chen X. ; Li l. ; Sutter P. W. ; Zhou G. Proc. Natl. Acad. Sci 2015, 112 (2), E103.
28	Wu Q. ; Zdyb R. ; Bauer E. ; Altman M. S. Phys. Rev. B 2013, 87 (10), 104410.
29	Yang Y. ; Fu Q. ; Li H. ; Wei M. ; Xiao J. ; Wei W. ; Bao X. ACS Nano 2015, 9 (12), 11589.
30	Yeh P. C. ; Jin W. ; Zaki N. ; Zhang D. ; Sadowski J. T. ; Al-Mahboob A. ; van der Zande A. M. ; Chenet D. A. ; Dadap J. I. ; Herman I. P. ; Sutter P. ; Hone J. ; Osgood R. M. Phys. Rev. B 2014, 89 (15), 155408.
31	Kim M. ; Bertram M. ; Pollmann M. ; von Oertzen A. ; Mikhailov A. S. ; Rotermund H. H. ; Ertl G. Science 2001, 292 (5520), 1357.
32	Cui Y. ; Fu Q. ; Bao X. Phys. Chem. Chem. Phys 2010, 12 (19), 5053.
33	Yan K. ; Wu D. ; Peng H. ; Jin L. ; Fu Q. ; Bao X. ; Liu Z. Nat. Commun 2012, 3, 1280.
34	Cui Y. ; Fu Q. ; Zhang H. ; Tan D. ; Bao X. J. Phys. Chem. C 2009, 117 (47), 20365.
35	Gao L. ; Ren W. ; Xu H. ; Jin L. ; Wang Z. ; Ma T. ; Ma L. P. ; Zhang Z. ; Fu Q. ; Peng L. M. ; Bao X. ; Cheng H. M. Nat. Commun 2012, 3, 699.
36	Liu L. ; Park J. ; Siegel D. A. ; McCarty K. F. ; Clark K. W. ; Deng W. ; Basile L. ; Idrobo J. C. ; Li A. P. ; Gu G. Science 2014, 343 (6167), 163.
37	Hibino H. ; Kageshima H. ; Maeda F. ; Nagase M. ; Kobayashi Y. ; Yamaguchi H. Phys. Rev. B 2008, 77 (7), 075413.
38	Sutter P. ; Sadowski J. T. ; Sutter E. Phys. Rev. B 2009, 80 (24), 245411.
39	Geim A. K. Science 2009, 324 (5934), 1530.
40	Sutter P. W. ; Flege J. I. ; Sutter E. A. Nat Mater 2008, 7 (5), 406.
41	Jin L. ; Fu Q. ; Zhang H. ; Mu R. ; Zhang Y. ; Tan D. ; Bao X. J. Phys. Chem. C 2012, 116 (4), 2988.
42	Sutter P. ; Cortes R. ; Lahiri J. ; Sutter E. Nano Lett 2012, 12 (9), 4869.
43	Geim A. ; Grigorieva I. Nature 2013, 499 (7459), 419.
44	Jin L. ; Fu Q. ; Dong A. ; Ning Y. ; Wang Z. ; Bluhm H. ; Bao X. J. Phys. Chem. C 2014, 118 (23), 12391.
45	Sutter P. ; Albrecht P. ; Tong X. ; Sutter E. J. Phys. Chem. C 2013, 117 (12), 6320.
46	Mu R. ; Fu Q. ; Jin L. ; Yu L. ; Fang G. ; Tan D. ; Bao X. Angew. Chem. Int. Edit 2012, 51 (20), 4856.
47	Zhang Y. ; Weng X. ; Li H. ; Li H. ; Wei M. ; Xiao J. ; Liu Z. ; Chen M. ; Fu Q. ; Bao X. Nano Lett 2015, 15 (5), 3616.
48	Zhang Y. ; Wei M. ; Fu Q. ; Bao X. Sci. Bull 2015, 60 (18), 1572.
49	Du Z. ; Sarofim A. F. ; Longwell J. P. ; Mims C. A. Energ. Fuel 1991, 5 (1), 214.
50	Hahn J. R. ; Kang H. ; Lee S. M. ; Lee Y. H. J. Phys. Chem. B 1999, 103 (45), 9944.
51	Starodub E. ; Bartelt N. C. ; McCarty K. F. J. Phys. Chem. C 2010, 114 (11), 5134.
52	Sutter P. ; Sadowski J. T. ; Sutter E. A. J. Am. Chem. Soc 2010, 132 (23), 8175.
53	Yao Y. X. ; Fu Q. ; Zhang Y. Y. ; Weng X. F. ; Li H. ; Chen M. S. ; Jin L. ; Dong A. Y. ; Mu R. T. ; Jiang P. ; Liu L. ; Bluhm H. ; Liu Z. ; Zhang S. B. ; Bao X. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 2014, 111 (48), 17023.
54	Hrelescu C. ; Sau T. K. ; Rogach A. L. ; Jäckel F. ; Laurent G. ; Douillard L. ; Charra F. Nano Lett 2011, 11 (2), 402.
55	Douillard L. ; Charra F. J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom 2013, 189 (Supplement), 24.
56	Mutoro E. ; Hellwig C. ; Luerssen B. ; Guenther S. ; Bessler W. G. ; Janek J. Phys. Chem. Chem. Phys 2011, 13 (28), 12798.
57	Schmidt T. ; Groh U. ; Fink R. ; Umbach E. ; Schaff O. ; Engel W. ; Richter B. ; Kuhlenbeck H. ; Schlogl R. ; Freund H. J. ; Bradshaw A. M. ; Preikszas D. ; Hartel P. ; Spehr R. ; Rose H. ; Lilienkamp G. ; Bauer E. ; Benner G. Surf. Rev. Lett 2002, 9 (1), 223.
58	Guo F. Z. ; Wakita T. ; Shimizu H. ; Matsushita T. ; Yasue T. ; Koshikawa T. ; Bauer E. ; Kobayashi K. J. Phys.: Condens. Matter 2005, 17 (16), S1363.

[1]	梅子慧, 王国宏, 严素定, 王娟. 微波辅助快速制备2D/1D ZnIn₂S₄/TiO₂ S型异质结及其光催化制氢性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2009097 -0 .
[2]	赫荣安, 陈容, 罗金花, 张世英, 许第发. 石墨烯量子点修饰的BiOI/PAN柔性纤维的制备及其增强的光催化活性[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2011022 -0 .
[3]	姜志民, 陈晴, 郑巧清, 沈荣晨, 张鹏, 李鑫. 1D Mn_0.2Cd_0.8S纳米棒/2D Ti₃C₂纳米片肖特基异质结的构建及光催化产氢性能研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2010059 -0 .
[4]	刘阳, 郝旭强, 胡海强, 靳治良. 构建NiS₂/MoSe₂ S型异质结高效光催化产氢[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2008030 -0 .
[5]	李云锋, 张敏, 周亮, 杨思佳, 武占省, 马玉花. g-C₃N₄表面改性及其光催化制H₂与CO₂还原研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2009030 -0 .
[6]	陈一文, 李铃铃, 徐全龙, Tina Düren, 范佳杰, 马德琨. 反蛋白石结构的g-C₃N₄可控合成及其优异的光催化产氢性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2009080 -0 .
[7]	王苹, 李海涛, 曹艳洁, 余火根. 羧基功能化石墨烯增强TiO₂光催化产氢性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2008047 -0 .
[8]	王则鉴, 洪佳佳, Ng Sue-Faye, 刘雯, 黄俊杰, 陈鹏飞, Ong Wee-Jun. 氧化物钙钛矿的光催化研究进展：CO₂还原、水裂解、固氮[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2011033 -0 .
[9]	周雪梅. 二氧化钛负载单原子催化剂用于光催化反应的研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2008064 -0 .
[10]	费新刚, 谭海燕, 程蓓, 朱必成, 张留洋. 理论计算研究二维/二维BP/g-C₃N₄异质结的光催化CO₂还原性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2010027 -0 .
[11]	李喜宝, 刘积有, 黄军同, 何朝政, 冯志军, 陈智, 万里鹰, 邓芳. 全有机S型异质结PDI-Ala/S-C₃N₄光催化剂增强光催化性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2010030 -0 .
[12]	刘东, 陈圣韬, 李仁杰, 彭天右. 用于光催化能量转换的Z-型异质结的研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2010017 -0 .
[13]	秦祖赠, 吴靖, 李斌, 苏通明, 纪红兵. 光催化CO₂还原的超薄层状催化剂[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5): 2005027 -0 .
[14]	孟怡辰, 况思宇, 刘海, 范群, 马新宾, 张生. 面向CO₂电化学转化的铜基催化剂研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5): 2006034 -0 .
[15]	张继宏, 钟地长, 鲁统部. 钴(Ⅱ)基分子配合物用于光催化二氧化碳还原[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5): 2008068 -0 .