金属表面分子吸附体系表征与调控的扫描隧道显微学研究

论文摘要

分子在金属表面吸附体系的研究对我们认识物理、化学、生物等诸多过程都有非常重要的意义,也是“从下而上”的构建全新概念的人造结构和功能器件的重要途径;而扫描隧道显微镜（STM）作为一种功能强大的表面分析手段,既具有很高的实空间和能量分辨率,又具有对单个原子分子的操纵能力,在对金属表面分子吸附体系的表征与调控方面发挥了重要的作用。在本论文中,我们利用低温超高真空STM研究了吸附于金属表面的单个分子输运性质的表征与调控和分子自组装的有序结构。第一章是论文中研究工作的基础,首先介绍扫描隧道显微学的基本工作原理及实验中所使用的低温超高真空扫描隧道显微镜及理论模拟方法,然后结合已取得的成果介绍扫描隧道显微镜在表面吸附分子体系中主要应用。第二章中,我们利用STM操纵,实现了Cu（100）表面单个化学吸附的三聚氰胺分子异构,将一个普通的分子调控成即具有整流效应又具有开关效应的新型人造结构。我们发现,室温下吸附于Cu（100）表面的三聚氰胺分子脱氢并与表面成键,得到与表面垂直的吸附结构,并无显著的输运特征;通过隧穿电子诱导的异构现象将分子改变为一个不对称的结构,并显示出明显的整流效应;进一步的非弹性隧穿电子诱导的多电子效应可以调控N-H键的转动,实现了分子在两种构型间的转变,从而得到了一个频率可调的开关现象。结合STM实验及第一性原理计算我们研究得到了整个调控过程,探讨了整流和开关两种效应的机制,并利用新发展的统计模型对开关现象中非整数隧穿电子数目现象做出了合理解释。单分子振动谱的实验也进一步验证了我们提出的异构模型。第三章中,我们利用STM研究了H2O在Ni（110）表面的吸附性质。在80 K到90 K温度下吸附到Ni（110）表面的0.1到0.2 ML的H2O,形成以扭曲的六边形为单元的不同于先前报道模型的岛状结构;而当对样品退火到120 K后,二维结构基本消失,形成锯齿状一维链;而进一步退火到150 K后,二维结构完全消失,得到了间距相对整齐一维锯齿链状结构。利用STM得到的高分辨实空间图像,我们提出了两种结构的模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 扫描隧道显微术在表面吸附分子体系中的应用
• 1.1 表面分子吸附体系的研究
• 1.2 扫描隧道显微镜简介
• 1.2.1 扫描隧道显微镜的工作原理
• 1.2.2 本文研究工作所用的 UHV-LT-STM 系统
• 1.2.3 本论文工作中所使用的理论模拟方法
• 1.3 表面吸附分子体系的研究方向及扫描隧道显微镜的应用
• 1.3.1 分子结构的高分辨表征
• 1.3.2 表面超分子化学体系的表征
• 1.3.3 表面分子扩散及分子反应的实时监控
• 1.3.4 分子输运性质的测量
• 1.3.5 分子局域态密度及能量层析图的研究
• 1.3.6 利用非弹性隧穿谱对单分子振动的表征
• 1.3.7 单分子操纵及单分子选键化学
• 1.3.8 利用STM 对表面吸附分子的发光及磁性研究
• 1.4 本论文研究工作简介
• 第2章 利用扫描隧道显微镜调控单分子输运性质
• 2.1 背景介绍
• 2.1.1 分子输运性质的研究
• 2.1.1.1 分子整流效应
• 2.1.1.2 分子开关效应
• 2.1.2 利用STM 进行单分子调控
• 2.2 melamine 分子及其吸附特性
• 2.2.1 melamine 分子结构及其STM 研究背景
• 2.2.2 melamine 在Cu（100）表面吸附的研究
• 2.3 利用 STM 实现melamine 异构
• 2.4 通过STM-IETS 验证melamine 的异构现象
• 2.5 melamine 异构体的整流效应
• 2.6 melamine 异构体的开关效应
• 2.6.1 开关效应的实验及数据分析
• 2.6.2 开关效应的理论分析与模拟
• 2.7 对于吸附构型及异构现象其它可能情况的讨论
• 2.7.1 吸附构型的讨论
• 2.7.2 化学吸附melamine 异构现象的讨论
• 2.8 本章小结
• 2O在 Ni（110）表面吸附结构的 STM研究'>第3章 亚单层 H₂O在 Ni（110）表面吸附结构的 STM研究
• 3.1 研究背景
• 3.1.1 水在金属表面吸附的研究
• 3.1.2 水在 Ni（110）表面的吸附的研究背景
• 3.2 Ni（110）表面的水的吸附研究
• 3.2.1 Ni（110）表面的处理
• 2O 在Ni（110）表面吸附的STM 研究'>3.2.2 H₂O 在Ni（110）表面吸附的STM 研究
• 3.3 本章小节
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文与会议报告
• 致谢