掃描探針顯微鏡是從微觀層面研究電化學界面的一類重要工具。本書全面涵蓋了各類應用于電化學領域的掃描探針顯微術的工作原理、發展歷程及其科學價值。本書的出版旨在推動電化學與掃描探針顯微術兩個領域的融合與發展。
2016年國家杰出青年科學基金
2017年中組部“萬人計劃”中青年科技創新領軍人才
目錄
第1章 引言 1
1.1 掃描探針顯微術發展簡史 1
1.2 掃描探針顯微術形貌成像 2
1.2.1 掃描隧道顯微鏡 2
1.2.2 原子力顯微鏡 3
1.3 掃描探針顯微術功能成像 5
1.3.1 力學功能成像 5
1.3.2 電學功能成像 6
1.3.3 化學功能成像 8
1.4 總結與展望 10
參考文獻 11
第2章 掃描電化學微探針原理及應用 13
2.1 掃描電化學顯微術（SECM） 13
2.1.1 SECM工作模式 13
2.1.2 SECM儀器 17
2.1.3 SECM應用 19
2.2 垂直（Z方向）掃描微電極技術（VSMET） 22
2.2.1 VSMET微電極 23
2.2.2 VSMET測試系統 25
2.2.3 VSMET電位/電流分布測試 26
2.2.4 VSMET電位分布測量 27
2.2.5 局部電場對VSMET電位分布的影響 30
2.2.6 VSMET的應用 32
2.3 掃描離子電導顯微術（SICM） 36
2.3.1 工作原理和工作模式 36
2.3.2 儀器組成 39
2.3.3 SICM應用 40
2.4 掃描電化學電解池顯微術（SECCM） 51
2.4.1 SECCM技術基本原理 51
2.4.2 位置反饋及工作模式 52
2.4.3 應用 54
2.5 總結與展望 60
參考文獻 61
第3章 掃描探針顯微術對固體中電子及離子輸運行為的表征應用 72
3.1 固體中電子及離子輸運行為的研究表征需求 72
3.1.1 傳統能源器件中的電子及離子動力學行為表征方法 72
3.1.2 基于掃描探針顯微術的電子及離子動力學行為表征方法 74
3.2 基于掃描探針顯微鏡的固體中電子輸運行為表征方法 75
3.2.1 基于光調制方法的掃描開爾文探針顯微術 76
3.2.2 時間分辨靜電力顯微術的電子輸運行為表征應用 81
3.2.3 納秒級時間分辨掃描探針顯微術的電子輸運行為表征應用 86
3.3 基于掃描探針顯微鏡的固體中離子輸運行為表征方法 91
3.3.1 導電原子力顯微鏡交流阻抗成像技術介紹 92
3.3.2 導電原子力顯微鏡交流阻抗成像技術的表征應用 93
3.3.3 電化學張力顯微術原理介紹及空間表征應用 95
3.3.4 電化學張力顯微術的時域譜成像表征應用 98
3.3.5 時間分辨靜電力顯微術的離子輸運行為表征應用 99
3.4 總結與展望 102
參考文獻 103
第4章 掃描探針顯微術在電催化中的應用 108
4.1 電化學掃描探針顯微術 108
4.2 電催化反應與電催化劑 109
4.2.1 電催化反應 109
4.2.2 電催化劑 111
4.2.3 金屬卟啉/酞菁類電催化模型體系的研究 112
4.3 電化學掃描隧道顯微術在電催化研究中的應用 115
4.3.1 模型體系的構建 115
4.3.2 電催化劑結構的表征 119
4.3.3 電催化過程的研究 124
4.4 膜電極的結構與演化 128
4.5 總結與展望 130
參考文獻 132
第5章 掃描探針顯微術在儲能電化學中的應用 143
5.1 背景 143
5.1.1 儲能電化學過程中的表界面問題 143
5.1.2 電化學掃描探針顯微術在儲能電化學的應用 146
5.2 鋰離子/鋰金屬電池界面過程 147
5.2.1 石墨負極過程 148
5.2.2 硅負極過程 153
5.2.3 鋰負極過程 156
5.2.4 正極過程 164
5.3 鋰硫電池正極-電解液界面轉化反應過程 165
5.3.1 正極轉化反應過程 167
5.3.2 界面優化和調控機制 170
5.3.3 催化電極界面研究 172
5.4 鋰氧電池正極-電解液界面電化學過程 175
5.4.1 氧氣正極轉化反應過程 176
5.4.2 電解液添加劑介導界面反應機制 179
5.4.3 催化電極界面反應機制 181
5.5 固態金屬鋰電池界面演化與失效機理 182
5.5.1 正極-電解質界面演化 184
5.5.2 負極-電解質界面演化 186
5.5.3 固態電解質動態演化 188
5.6 總結與展望 191
參考文獻 192
第6章 掃描探針顯微術在光電化學中的應用 203
6.1 背景 203
6.2 分子發光和能量轉移 203
6.2.1 單分子本征發光特性 203
6.2.2 分子聚集體中的能量轉移 210
6.3 光催化反應 214
6.3.1 單晶表面分子的光催化過程 214
6.3.2 納米材料表界面的光催化過程 218
6.4 太陽能電池 222
6.4.1 太陽能電池中的載流子動力學 222
6.4.2 太陽能電池中的界面能帶結構 224
6.5 總結與展望 227
參考文獻 227
第7章 掃描探針顯微術在生物體系中的應用 232
7.1 背景 232
7.2 生物體系專用的掃描探針顯微術 232
7.2.1 生物體系AFM 233
7.2.2 生物體系SECM 234
7.2.3 生物體系SICM 234
7.3 掃描探針顯微術在生物體系中的研究應用 235
7.3.1 核酸研究 235
7.3.2 蛋白質和酶的表征 241
7.3.3 細胞研究 247
7.3.4 微組織表征 263
7.3.5 細菌生物膜的研究 267
7.4 總結與展望 274
參考文獻 277
第8章 掃描探針顯微術在微納加工中的應用 292
8.1 背景 292
8.2 增材制造 293
8.2.1 掃描微電解池技術 293
8.2.2 掃描電化學顯微術 295
8.3 減材制造 296
8.3.1 超短電勢脈沖技術 296
8.3.2 約束刻蝕劑層技術 297
8.4 總結與展望 300
參考文獻 300
新書資訊