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二氧化钛(TiO2)是太阳能转化研究中的重要材料体系,其在光催化分解水制氢气和人工光合作用等方面展现出迷人的前景,寻找新的催化材料和研究高效的能量转换机理是其中重要的科学问题.利用扫描隧道显微镜技术(STM),可以在原子分子尺度上研究表面的缺陷、电子态、分子吸附与扩散、化学反应以及界面的电荷转移等过程.研究表明，锐钛矿相TiO2的稳定性低，晶体生长难度高。作者采用脉冲激光沉积技术，以钛酸锶(SrTiO3)为衬底外延生长出高质量的单晶锐钛矿TiO2(001)-(1×4)薄膜。STM的表征发现还原后的表面上存在亮点型和暗点型两种缺陷，且亮点型缺陷在费米面之下-0.9 eV的位置引入了Ti3+缺陷态。实验进一步研究了暗点型缺陷和亮点型缺陷在与H20和O2分子相互作用过程中的化学活性，证实了H2O和O2只稳定吸附于亮点型缺陷，并在STM高偏压扫描下可以分解。因此，实验揭示了亮点型缺陷是锐钛矿TiO2(001)-(1×4)表面的化学活性位，解决了这一领域内关于缺陷结构及化学活性位的长期争论，并为进一步设计提高TiO2的催化活性及研究光化学反应提供了有价值的信息。