近日，本课题组利用扫描隧道显微镜（STM）技术，对超薄氧化铜衬底上负载的钾离子进行了研究。通过STM针尖施加的偏压脉冲操纵，实现了钾正离子与中性钾原子之间的可逆变换，并伴随着吸附位点的改变。
超薄氧化铜衬底是一种由铜氧离子链构成的、仅有一个原子层厚度的半开放氧化物表面，可以由Cu()单晶暴露少量的氧气后退火得到。本课题组周雄博士等人曾研究过该表面上金、铂单原子或金属团簇的催化性质[1,2]。
正电K离子和中性K原子的荷电状态和吸附位置的可逆变换示意图，其中绿色球为氧离子，金色小球和灰色大球分别为最上层铜离子和次表层及第三层的铜原子
超薄氧化铜(a)及其表面负载的钾正离子(b,d)和STM偏压脉冲操纵后的中性钾原子(c,e)的STM图像
低温高分辨STM图像与X射线光电子能谱（XPS）测量证明：超薄氧化铜在接触来自超高真空中的碱金属钾原子束流时，会在表面形成单分散的钾离子物种。在该过程中，钾原子完全失去4s价电子，以+1价阳离子的形式吸附在氧化铜薄膜中铜离子的顶位（即氧离子的桥位）。即便该样品被加热至K以上，所负载的钾离子既不会发生聚集，也不会脱附，而是依然以单分散的形式存在。另外，超薄氧化铜上的钾离子不具有迁移的能力——即便使用STM针尖直接进行操纵，也无法改变它们的吸附位置。这意味着钾离子与衬底之间的相互作用是离子相互作用。推测其吸附位置下方的铜离子被部分还原，并发生结构驰豫，与钾离子和邻近的氧离子以静电作用相结合，形成了新的复合离子结构。这一过程还可以被看成是钾离子对氧化铜晶格的掺杂。通过局域功函数成像，钾离子周围半径约1nm的区域还被证明具有局域的负电荷中心，这说明钾在氧化物表面的电子效应很可能被局域在了钾离子附近的区域。
通过STM针尖的施加高偏压的场发射脉冲，上述钾离子可以可逆地转变成中性的钾原子，后者的电荷态判据也来自于局域功函数的成像。同时，这两种电荷态的钾原子具有不同的吸附位点。这一发现有助于促进人们对多相催化中碱金属助催机理的理解，也为实用催化体系的模型研究提供了新的视角。
超薄氧化铜上钾正离子(a)与中性钾原子(b)的局域功函数成像，其数值等于它们引起的相对衬底的功函数变化，及它们的原子模型(c,d)
相关结果发表在AngewandteChemieInternationalEdition上，文章第一作者是北京大学的博士研究生彭展涛。
该论文的作者为：彭展涛、邸斌、李文涛、刘丹、温晓杰、祝浩、宋环君、张亚杰、尹岑、周雄研究员（共同通讯作者）和吴凯教授（共同通讯作者）。
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