分子尺度量子态探测与调控的扫描隧道显微学研究

论文摘要

单个原子和分子尺度上的物质的性质及相互作用其本质上是量子力学的。如何对分子尺度中的量子态进行有效地探测与调控，对于“从下而上”地构建全新概念的人造结构和功能器件并实现基于量子态操纵的信息科学而言具有重要的意义，也因此成为目前物质科学研究的前沿领域。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、生物等学科领域中有非常广泛的应用，在论文中，我们利用低温超高真空STM研究了表面吸附的单个分子、原子与团簇的电子态和量子态的探测与调控。 在第一章中，我们首先介绍了扫描隧道显微学的基本理论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，并以单分子科学为例讨论了扫描隧道显微学对表面吸附体系的各种分析方法和研究手段。 在第二章中，我们利用STM操纵对吸附于Au表面的单个钴酞菁分子实施选键化学反应，脱去其外围配体苯环的氢原子并构造出新的人造分子结构，使其中心钴离子表现出由于局域磁矩的恢复而导致的近藤效应，从而实现了对其自旋态的调控。基于第一性原理的理论计算和模拟验证了实验结果并给出了理论依据。我们还发现脱氢分子的自旋态受到其吸附环境的强烈调制，吸附在Au台阶处与平台上的脱氢分子的近藤效应相比表现出显著的不同。 在第三章中，我们使用STM并结合基于第一性原理的理论计算系统地研究了衬底温度为室温以及420 K下单个Ge原子在Si（111）-（7×7）表面的初期吸附形态。我们发现Ge原子的吸附在这两种沉积条件下有着显著的区别。衬底温度为420 K时，沉积到表面的Ge原子随机地取代Si表面的顶戴原子。当衬底温度为室温时，沉积到表面的单个Ge原子并不取代Si顶戴原子，而是在表面（7×7）重构的半元胞内的特定吸附位之间扩散。 在第四章中，我们使用STM研究了Si（111）-（7×7）表面半元胞内自组装Ag纳米团簇的电子态及其输运性质，发现这种Ag纳米团簇的I-V特性表现出非常强的整流效应，其正偏压导通电流与负偏压漏电流的比值达到近40倍，且起源于一种新颖的整流机制。同时，我们通过不同电流的I-V谱、I-z谱，以及恒高模式STM图像研究了针尖一样品距离对整流效应的调控，并使用第一性原理对这一团簇进行了初步的结构分析和理论研究。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 攻读博士学位期间论文发表情况
• 目录
• 第一章 扫描隧道显微学及其在单分子科学中的应用
• 1.1 扫描隧道显微镜的发明与发展
• 1.2 扫描隧道显微镜工作原理与实验方法
• 1.2.1 STM工作原理
• 1.2.2 UHV LT-STM系统
• 1.2.3 STM实验方法
• 1.3 扫描隧道显微学基本理论
• 1.3.1 电子隧穿与一维隧穿模型
• 1.3.2 修改的Bardeen微扰方法
• 1.3.3 Tersoff-Hamann近似
• 1.3.4 样品的电子结构及其计算模拟方法
• 1.4 扫描隧道显微学在单分子科学中的应用
• 1.4.1 单分子结构表征与化学鉴别
• 1.4.2 单分子操纵与单分子选键化学
• 1.4.3 小结与展望
• 1.5 本论文研究工作
• 第二章 利用单分子选键化学调控钴酞菁分子自旋态
• 2.1 研究背景
• 2.1.1 近藤效应与近藤共振
• 2.1.2 纳米结构中的近藤效应
• 2.1.3 单个原子的近藤效应
• 2.1.4 单个分子的近藤效应
• 2.2 CoPc分子及其吸附特性
• 2.2.1 CoPc分子结构与电子结构
• 2.2.2 CoPc分子在Au（111）表面的吸附
• 2.2.3 Au（111）表面吸附CoPc分子的STM研究
• 2.3 CoPc分子的脱氢与近藤共振
• 2.3.1 STM诱导单分子脱氢
• 2.3.2 CoPc分子的脱氢
• 2.3.3 d-CoPc分子的STM研究
• 2.3.4 近藤共振随温度的变化
• 2.3.5 CuPc与CoPc分子的对比
• 2.4 CoPc与d-CoPc的STM操纵
• 2.5 CoPc分子近藤效应的理论分析
• 2.5.1 CoPc与d-CoPc分子的第一性原理研究
• 2.5.2 d-CoPc/Au（111）体系的近藤效应研究
• 2.6 不同吸附环境对CoPc分子近藤效应的调制
• 2.6.1 CoPc分子在Au（111）台阶处的吸附
• 2.6.2 Au（111）台阶处CoPc分子的脱氢及近藤效应
• 2.6.3 Au（111）台阶处CoPc分子近藤效应的温度变化
• 2.7 小结与展望
• 第三章 单个Ge原子在Si（111）-（7×7）表面的吸附态
• 3.1 研究背景
• 3.1.1 Si（111）-（7×7）表面的结构
• 3.1.2 Ge在Si（111）-（7×7）表面的吸附与生长
• 3.2 Si（111）-（7×7）表面的制备与Ge原子沉积
• 3.2.1 Si（111）-（7×7）表面的制备
• 3.2.2 电子束蒸发Ge原子
• 3.3 高温（420K）下Ge的吸附及取代
• 3.4 室温下Ge的吸附及扩散研究
• 3.4.1 STM图像分析
• 3.4.2 Ge原子扩散的I-t谱研究
• 3.5 室温吸附Ge的低温STM研究
• 3.5.1 实验结果及理论分析
• 3.5.2 STM图像模拟与验证
• 3.5.3 电场效应与吸附位间跃迁
• 3.6 室温吸附Ge、高温退火的初步研究
• 3.7 小结与展望
• 第四章 Si（111）-（7×7）表面自组装Ag团簇的整流效应
• 4.1 研究背景
• 4.1.1 Si（111）-（7×7）表面的全同纳米团簇
• 4.1.2 纳米结构中的整流效应
• 4.1.3 单个Ag原子在Si（111）-（7×7）表面的吸附
• 4.2 实验方法
• 4.3 2个Ag原子在Si（111）-（7×7）表面的吸附
• 4.4 Si（111）-（7×7）半元胞内的Ag团簇
• 4.5 Ag团簇的整流效应
• 4.5.1 I-V谱中的二极管整流效应
• 4.5.2 I-V谱随电流的变化
• 4.5.3 I-z谱分析
• 4.5.4 不同电流下的STM图像
• 4.6 初步的理论分析
• 4.7 小结与展望
• 附录A 参考文献
• 附录B 个人简历
• 附录C 发表论文被引用情况
• 致谢