電荷及其運(yùn)輸是電子設(shè)備，電池和生物系統(tǒng)功能的組成部分。在固體電極和含有攜帶電荷的離子的電解質(zhì)溶液之間的界面處累積的電荷可以影響電極 - 電解質(zhì)相互作用以及諸如腐蝕和分子粘附的過程。因此，重要的是要獲得這些界面上累積電荷的清晰圖像，以提高我們對各種系統(tǒng)中界面現(xiàn)象的理解。然而，在界面處對累積電荷的三維(3D)空間分布進(jìn)行成像是困難的，因為測量固 - 液界面處的橫向電荷分布是具有挑戰(zhàn)性的。

位于金澤大學(xué)的一個團(tuán)隊開發(fā)了一種稱為3D開環(huán)電位顯微鏡(OL-EPM)的顯微鏡方法，以顯示電極和電解質(zhì)之間界面處的真實空間電荷分布。研究人員首先通過優(yōu)化現(xiàn)有的二維OL-EPM技術(shù)開發(fā)了3D OL-EPM。

“傳統(tǒng)的OL-EPM受到樣品與顯微鏡尖端和懸臂之間遠(yuǎn)距離相互作用的影響，”第一作者Kaito Hirata說。“我們通過改進(jìn)用于計算OL-EPM潛力的公式來最小化這種影響。”

這些改進(jìn)的方程能夠從測量數(shù)據(jù)中減去作用在顯微鏡尖端和懸臂上的長程力。結(jié)果，觀察到源自在雙電層中累積的電荷的短程力作為局部表面電位的變化。使用具有不同電荷累積行為的兩個電極確定改進(jìn)的方程式計算界面電荷分布的能力。使用改進(jìn)的OL-EPM方程成功捕獲了兩個電極處的相反電荷累積特性。

然后將改進(jìn)的OL-EPM方法與3D尖端掃描技術(shù)相結(jié)合以提供3D OL-EPM。該團(tuán)隊使用3D OL-EPM可視化銅線電極和鹽電解質(zhì)之間界面處的電荷累積。獲得的結(jié)果提供了關(guān)于電極 - 電解質(zhì)界面處的電荷分布的有價值的信息。

“我們可以使用3D OL-EPM來研究電極 - 電解質(zhì)界面的電化學(xué)反應(yīng)和局部溶液條件，”相應(yīng)的作者Takeshi Fukuma解釋道。“從這些實驗中獲得的信息對于電化學(xué)，電子學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域非常重要。”

獲得有關(guān)電活性界面納米級電荷分布的真實空間數(shù)據(jù)的能力有望增加我們對界面現(xiàn)象的理解，并有助于電子和電池研究的進(jìn)展。