本文選題：超高真空-變溫-掃描隧道顯微鏡系統(tǒng) + 鏈狀分子　； 參考：《中國科學院大學(中國科學院物理研究所)》2017年博士論文

【摘要】：本論文主要介紹合作搭建的超高真空(UHV)-變溫(VT)-光學掃描隧道顯微鏡(OSTM)系統(tǒng)和利用該系統(tǒng)開展的相關(guān)研究工作,包括鏈狀分子(4,4"-二氨基對三聯(lián)苯(DAT)與并五苯)在Au(110)上的生長與結(jié)構(gòu)研究和在Ag(110)上利用固態(tài)碳源生長準自由態(tài)石墨烯納米島等。此外,由于STM系統(tǒng)在化學分析和時間分辨方面上的能力較弱,超快激光技術(shù)與STM系統(tǒng)結(jié)合,能彌補STM系統(tǒng)該方面的能力缺失,為此設(shè)計并搭建了激光耦合STM系統(tǒng)的超快激光光路部分。1.合作搭建的超高真空-變溫-掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)包括了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),泵路,氣站,針尖與樣品處理臺,掃描頭,連續(xù)流低溫恒溫器以及光學調(diào)整臺等部分。在系統(tǒng)搭建完成后,對系統(tǒng)的各項功能進行了測試。在室溫下利用該系統(tǒng)能夠獲得Au(111)表面清晰的原子圖像,且該系統(tǒng)變溫操作簡單快速,在各個溫度下都能有很好的成像能力。由于后續(xù)的實驗工作都是在該系統(tǒng)上完成的,都獲得了很好的實驗數(shù)據(jù)。因而,該系統(tǒng)性能優(yōu)秀,已達到預期的設(shè)計目標。2.通過改變樣品退火溫度實現(xiàn)調(diào)控單層4,4"-二氨基對三聯(lián)苯(DAT)分子在Au(110)表面上的生長結(jié)構(gòu)。單層DAT分子沉積在Au(110)表面后,樣品低溫(100℃)退火,會使得表面形成(1×5)重構(gòu)結(jié)構(gòu),DAT分子會以肩并肩方式居中吸附在該溝道中,形成梯子型結(jié)構(gòu)。樣品退火200℃后,Au(110)表面形成(1×5)與(1×3)兩種重構(gòu)結(jié)構(gòu)。對于(1×5)重構(gòu)結(jié)構(gòu)中的DAT分子,單端氨基會脫去兩個氫原子并與Au原子形成N-Au鍵,以-2H-DAT形式吸附在該溝道中。而對于(1×3)結(jié)構(gòu)中的DAT分子,所有分子以頭接頭方式吸附在該溝道中但僅部分DAT分子雙端氨基全部脫氫以-4H-DAT結(jié)構(gòu)存在。當樣品退火350℃后,Au(110)表面僅存(1×3)重構(gòu)結(jié)構(gòu),所有DAT分子雙端脫氫,以-4H-DAT結(jié)構(gòu)吸附在該重構(gòu)結(jié)構(gòu)中。相關(guān)的DFT理論計算證明(1×5)重構(gòu)結(jié)構(gòu)中的DAT分子脫氫與金成鍵勢壘較(1×3)重構(gòu)結(jié)構(gòu)中的DAT分子脫氫勢壘小,這也驗證了實驗結(jié)論。這樣通過改變樣品退火溫度,可以調(diào)控DAT分子在Au(110)表面上的自組裝結(jié)構(gòu)。3.在Au(110)上通過調(diào)控并五苯分子覆蓋度和退火溫度,能夠形成一維金屬有機結(jié)構(gòu)。并五苯分子從亞單層到單層的生長過程中,樣品退火200℃會誘使Au(110)表面形成(1×3)與(1×6)的重構(gòu)結(jié)構(gòu),并五苯分子分別以頭接頭方式與肩并肩方式排布在這兩種結(jié)構(gòu)中。由于并五苯分子與Au(110)表面間的相互作用,(1×6)重構(gòu)結(jié)構(gòu)中的并五苯分子中心會表現(xiàn)出小亮點。對單層并五苯樣品退火250℃后,并五苯分子僅存在于(1×6)的溝道中,且通過并五苯分子中心的-CH與金原子形成的配位鍵作用,生成了一維金屬有機鏈狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的形成不借助于有機分子的特殊官能團,且能保留并五苯分子的本征特性。最后在單層并五苯樣品上繼續(xù)生長雙層并五苯結(jié)構(gòu),退火200℃后,發(fā)現(xiàn)頂層分子僅排布在底層的(1×3)結(jié)構(gòu)上,且成拱形結(jié)構(gòu)。4.在Ag(110)表面上利用固態(tài)碳源可以生長出準自由態(tài)的石墨烯納米島。實驗中發(fā)現(xiàn),通過改變碳原子的沉積速率和襯底溫度,可以調(diào)控石墨烯納米島的質(zhì)量與形貌。在較小的沉積速率和較高的襯底溫度時,生成的石墨烯納米島質(zhì)量最好。并且通過拉曼光譜,STS一階譜以及STM針尖操縱證明了該石墨烯為準自由態(tài)石墨烯。由于石墨烯與Ag(110)表面的晶格失配,在Ag(110)表面形成了多種線條狀的摩爾超結(jié)構(gòu),通過構(gòu)建的理論結(jié)構(gòu)模型,證明該結(jié)構(gòu)確實源于石墨烯與Ag(110)表面的晶格失配。5.由于STM系統(tǒng)在時間分辨和化學分析方面上的能力較弱而激光技術(shù)在這方面具有很多優(yōu)勢,因而將超快激光技術(shù)與STM系統(tǒng)結(jié)合,有希望全面提升STM系統(tǒng)的研究能力,在超高時空分辨能力,針尖增強拉曼光譜以及激光誘導化學反應或形變等體系研究上有很好的前景。因此,設(shè)計并搭建激光耦合STM系統(tǒng)的超快激光光路部分,還對激光入射到隧道結(jié)的過程和工作模式進行了分析。這對于后續(xù)的相關(guān)研究,起到重要作用。
[Abstract]:This paper mainly introduces the cooperative UHV - VT - optical scanning tunneling microscope (OSTM) system and the related research work carried out by using this system, including the growth and structure of the chain molecules (4,4 "- two amino pairs of three biphenyl (DAT) and five benzene) on Au (110) and the quasi free growth of solid carbon source on Ag (110). In addition, due to the weak ability of STM system in chemical analysis and time resolution, ultra fast laser technology and STM system can make up for the lack of ability in this aspect of the STM system. To this end, the ultra high vacuum and temperature change scanning of the ultra fast laser light path part of the laser coupled STM system is designed and built by.1.. The tunnel microscope system includes the system structure, the pump, the gas station, the needle tip and the sample processing table, the scanning head, the continuous current low temperature thermostat and the optical adjustment table. After the system is completed, the functions of the system are tested. The system can obtain the clear atomic image on the Au (111) surface at room temperature, and the system can be obtained at room temperature. The temperature change operation is simple and fast and can have good imaging ability at all temperatures. Since the subsequent experiment is done on the system, good experimental data have been obtained. Therefore, the system has excellent performance and has reached the expected design goal.2. to control single layer 4,4 "- two amino pairs by changing the annealing temperature of the sample. The growth structure of benzene (DAT) molecule on the surface of Au (110). After the monolayer DAT molecule is deposited on the Au (110) surface, the sample is annealed at low temperature (100 degrees C), which will make the surface form (1 * 5) restructure. The DAT molecule will be adsorbed in the channel and form a ladder type structure. After the sample annealing 200 c, the surface of Au (110) is formed (1 x 5) and two species (1 * 3). For the DAT molecule in the (1 * 5) reconstruction structure, the single terminal amino group will remove two hydrogen atoms and form a N-Au bond with the Au atom and adsorb in the channel in the form of -2H-DAT. For the DAT molecule in the (1 * 3) structure, all the molecules are adsorbed in the channel by the head joint mode, but only some of the DAT molecules are dehydrogenated to -4H-DAT The structure exists. When the sample is annealed at 350 C, the surface of Au (110) is only (1 * 3) reconfigurable. All DAT molecules dehydrogenate at two ends and adsorb in the structure with -4H-DAT structure. The related DFT theoretical calculation shows that the DAT molecular dehydrogenation and gold bond potential barrier (1 * 3) in the reconstructed structure are smaller than the DAT dehydrogenation barrier in the reconstruction structure (1 * 3), which is also verified. By changing the annealing temperature, the self assembled structure of DAT molecules on the Au (110) surface can be regulated by the regulation of the Au (110) and the five benzene molecular coverage and annealing temperature, which can form a one-dimensional metal organic structure. And the annealing of the five benzene molecules from the submonolayer to the monolayer can induce the A to induce the A. U (110) surface formation (1 x 3) and (1 x 6) reconstruction structure, and five benzene molecules are arranged in the head joint way and shoulder to shoulder in the two structures. Because of the interaction between the five benzene molecules and the surface of the (110) (110), the molecular Center of the five benzene in the (1 * 6) reconstruction structure will show a small bright spot. After annealing of the monolayer and five benzene sample, And five benzene molecules exist only in the (1 x 6) channel, and by the coordination bond between the -CH and the gold atoms of the five benzene molecular center, a one-dimensional metal organic chain structure is formed. The structure is formed without the aid of the special functional groups of organic molecules, and can retain the intrinsic properties of the five benzenes. Finally, the structure is followed by a single layer and five benzene sample. The structure of double decker and five benzene is continued. After annealing at 200 c, it is found that the top layer molecules are arranged only on the (1 * 3) structure, and the arched structure.4. can grow the quasi free graphene nanometer island by the solid carbon source on the surface of Ag (110). It is found that the graphene can be regulated by changing the deposition rate of carbon atoms and the substrate temperature. The quality and morphology of nanoscale island. At smaller deposition rate and higher substrate temperature, the produced graphene nanoscale is of the best quality. Through Raman spectra, the first order spectrum of STS and the manipulation of STM tip prove that the graphene is quasi free graphene. Because of the lattice mismatch between the graphene and the Ag (110) surface, the surface of the Ag (110) is formed much more. The mole superstructure of a linear strip has proved that the structure does originate from the lattice mismatch between graphene and Ag (110) surface by constructing a theoretical structural model. The laser technology has a lot of advantages in this respect because of the weak ability of the STM system in time resolution and chemical analysis. Therefore, the ultra fast laser technology is combined with the STM system. We hope to improve the research capacity of STM system, and have good prospects in the study of ultra high time resolution, needle tip enhanced Raman spectroscopy and laser induced chemical reaction or deformation. Therefore, the ultra fast laser path part of laser coupled STM system is designed and built, and the process and working mode of laser incident to the tunnel junction are also introduced. Analysis is carried out, which plays an important role in subsequent related research.

【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;TH742

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本文編號：1884758