金红石型TiO2（110）表面扫描隧道显微术研究

论文摘要

扫描隧道显微镜（STM）作为一种极为重要的科学研究工具,在物理、化学、材料、生物等科学领域中有非常广泛的应用,在本论文中,我们利用低温超高真空STM和变温超高真空STM研究了单晶TiO2（110）表面性质和分子吸附,同时也利用针尖对表面氧空位进行调控。在第一章中,我们首先介绍了扫描隧道显微学的基本原理和论文实验部分所使用的低温超高真空STM的结构与工作原理,并以表面科学体系为例讨论了扫描隧道显微学对表面体系的各种分析方法和研究手段。同时我们也简单介绍了理论计算所用到的密度泛函理论。在第二章中,我们介绍了TiO2这种材料的催化特性和广泛应用。并且仔细分析了金红石型TiO2（110）表面结构和性质,以及在不同处理条件下获得的不同结构的（110）表面。为后续实验提供重要参考。在第三章中,仔细研究了TiO2（110）表面与水分子的相互作用,清楚地了解到作为水分子在氧空位处的直接反应产物桥氧羟基在TiO2表面的性质和意义,分析了水分子在表面的分解过程,以及羟基在表面形貌反转特性,为羟基和氧空位在表面的辨别提供了一种重要方法。在第四章中,我们利用STM针尖的诱导,制备了TiO2（110）表面一种新型的缺陷结构—氧空位对,氧空位对不仅对表面氧空位的扩散迁移起到媒介作用,还具有高于单氧空位的化学反应活性,同时氧空位对迁移过程中的中间态有助于我们了解表面原子,分子扩散和反应的机制,对理解TiO2（110）表面的催化反应具有重要意义。第五章中,我们简单介绍了一些气态简单小分子—O2,CO在TiO2（110）表面的吸附构型,比较了缺陷表面和无缺陷表面O2分子不同的吸附情况,同时也首次观察到室温下CO在TiO2（110）表面的吸附。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 扫描隧道显微学简介
• 1.1 扫描隧道显微镜
• 1.1.1 扫描隧道显微镜的发明
• 1.1.2 STM工作原理和工作模式
• 1.2 扫描隧道显微学基木原理
• 1.2.1 电子隧穿和一维隧穿模型
• 1.2.2 Bardeen微扰理论
• 1.2.3 Tersoff-Hamann近似
• 1.2.4 扫描隧道谱STS
• 1.3 扫描隧道显微镜仪器
• 1.4 扫描隧道显微镜在表面科学体系中的应用
• 1.5 密度泛函理论
• 1.5.1 Hartree-Fock方程
• 1.5.2 电子密度泛函理论
• 1.5.3 交换相关泛函近似
• 1.5.4 DFT的计算方法及优势
• 1.6 本文研究内容
• 参考文献
• 第二章 金红石型二氧化钛及其（110）表面
• 2.1 二氧化钛材料简介
• 2.2 金红石型二氧化钛
• 2.2.1 几何结构
• 2.2.2 电子结构
• 2体缺陷'>2.2.3 TiO₂体缺陷
• 2（110）表面'>2.3 金红石型TiO₂（110）表面
• 2（110）表面'>2.3.1 有缺陷的TiO₂（110）表面
• 2（110）表面'>2.3.2 无缺陷的TiO₂（110）表面
• 2（110）表面的制备'>2.4 TiO₂（110）表面的制备
• 2（110）表面在STM中的研究'>2.5 TiO₂（110）表面在STM中的研究
• 2（110）表面的密度泛函理论（DFT）'>2.6 TiO₂（110）表面的密度泛函理论（DFT）
• 2.7 总结
• 参考文献
• 2（110）表面桥氧羟基的性质研究'>第三章 TiO₂（110）表面桥氧羟基的性质研究
• 3.1 背景介绍
• 3.2 样品制备
• 2（110）表面制备'>3.2.1 部分羟基化TiO₂（110）表面制备
• 2（110）表面制备'>3.2.2 全部羟基化TiO₂（110）表面制备
• 2（110）表面的桥氧羟基'>3.3 TiO₂（110）表面的桥氧羟基
• 3.3.1 桥氧羟基的形成
• 3.3.2 桥氧羟基的脱氢反应
• 2（110）表面桥氧羟基STM形貌反转特性研究'>3.4 TiO₂（110）表面桥氧羟基STM形貌反转特性研究
• 3.4.1 部分羟基化表面形貌反转
• 3.4.2 全部羟基化表面的形貌反转
• 3.4.3 OH形貌反转现象解释
• 3.5 总结
• 参考文献
• 2（110）表面氧空位对的STM研究'>第四章 金红石型TiO₂（110）表面氧空位对的STM研究
• 4.1 背景介绍
• 4.2 氧空位对的获得
• 4.3 氧空位对的结构和性质
• 4.3.1 氧空位对的几何结构
• 4.3.2 氧空位对的电子结构
• 4.3.3 氧空位对的表面性质
• 4.4 氧空位对的表面迁移和分解
• 4.4.1 以OV为媒介的表面OVP的扩散
• 4.4.2 氧空位对的分解
• 4.4.3 氧空位对表面迁移参数的测量
• 4.5 OVP表面迁移过程中的中间态研究
• 4.6 氧空位对的化学反应活性的测量比较
• 4.7 总结
• 参考文献
• 2（110）表面简单气态小分子吸附研究'>第五章 TiO₂（110）表面简单气态小分子吸附研究
• 5.1 背景介绍
• 2（110）表面氧分子的吸附'>5.2 TiO₂（110）表面氧分子的吸附
• 2（110）表面氧分子的吸附'>5.2.1 有缺陷的TiO₂（110）表面氧分子的吸附
• 2（110）表面氧分子的吸附'>5.2.2 无缺陷的TiO₂（110）表面氧分子的吸附
• 2（110）表面CO分子的吸附'>5.3 室温下TiO₂（110）表面CO分子的吸附
• 5.4 总结和展望
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢