水是生物體最重要的組成部分,被譽(yù)為生命之源。在自然條件下,幾乎所有的固體表面都蒙上了一層薄薄的水霧。水固界面無處不在的特性表明它和我們的日常生活以及許多科技現(xiàn)象息息相關(guān)。掃描隧道顯微鏡（STM）作為一種先進(jìn)的表面分析儀器,不僅能夠觀察到水分子在固體表面的形貌,吸附行為,動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過程,分子軌道等,而且可以操縱單個(gè)原子或分子。本文利用超高真空-低溫掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)手段,配合密度泛函理論（DFT）計(jì)算方法,研究了水分子在Cd（0001）基底上吸附和成核的初始階段。通過實(shí)驗(yàn)研究我們發(fā)現(xiàn),水分子在襯底表面聚集形成以二聚體為主導(dǎo)的團(tuán)簇。在液氦（4.7 K）溫度下,我們觀察到了吸附在襯底Cd原子不同位置上的單個(gè)水分子以及它的LUMO軌道。結(jié)合第一性原理,我們對(duì)其吸附在不同位置的吸附能以及電偶極矩進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)水分子吸附在橋位的吸附能高于頂位,并且沿針尖電場(chǎng)方向具有較大的偶極矩,因而在針尖電場(chǎng)的作用下,單分子從穩(wěn)態(tài)（頂位）轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎�(wěn)態(tài)（橋位）。此外,新奇的是,吸附在頂位水分子的偶極矩相對(duì)于氣態(tài)的水分子有一個(gè)明顯的增加,這意味著在Cd襯底和水分子之間有明顯的電荷轉(zhuǎn)移。在液氮（77 K）溫度下,水分子聚... 

【文章來源】：西南大學(xué)重慶市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：70 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．１最早發(fā)明的掃描險(xiǎn)道顯微鏡??

西南大學(xué)碩士學(xué)位論文??常用于定性分析。原子力顯微鏡（ＡＦＭ）和掃描隧道顯微鏡（ＳＴＭ）是通過??利用原子尺寸尖端和樣品表面之間的弱原子間力以及由隧道效應(yīng)產(chǎn)生的隧道電??流來表征固體形態(tài)的方法［１６－１８］，他們可以分析碳納米材料的尺寸和表面性質(zhì)。??掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡都具有非常高的分辨率，并且都可以用于原子??尺寸的成像。它們還可以應(yīng)用于氣體，液體，真空以及高溫和低溫（小于１００??Ｋ）。ＳＴＭ儀器主要用于檢測(cè)納米材料表面電子的局部態(tài)密度，并通過反饋電??路獲得表面原子的結(jié)構(gòu)分布和形態(tài)。盡管ＡＦＭ是原子特性的直接觀察，但它??可以輕松地測(cè)量一些納米粒子的大小及其整體分布參數(shù)。表面表征技術(shù)正變得??越來越完善，表征技術(shù)的進(jìn)步為髙性能器件設(shè)計(jì)和合成的可行性奠定了基礎(chǔ)并??提出了新的思路。??光譜分析方法主要包括發(fā)射光譜法，吸收光譜法和散射光譜法。碳納米材??料常用的分析方法主要是吸收光譜和散射光譜，例如紫外可見吸收光譜，傅立??葉紅外吸收光譜，Ｘ射線吸收光譜，核磁共振光譜和拉曼光譜。??１．３分子自組裝??愈?ＩＩ?＿??＿％響??－－ａｎｉ４??圖１．２分子自組裝過程（引用）??分子自組裝是指在不涉及人為因素的情況下，基于弱的非共價(jià)鍵在分子之??間的弱相互作用力，自發(fā)形成穩(wěn)定有序的分子聚合物系統(tǒng)的過程，如圖１．２所??示。這里提到的弱相互作用力主要包括靜電力（偶極相互作用和電四極矩相互??作用），范德華力，氫鍵（Ｈ鍵）和堆積相互作用等［１９－２０］。分子自組裝??６??

子力顯微鏡和低能電子衍射等多??種實(shí)驗(yàn)方法和第一性原理計(jì)算方法相結(jié)合，在分子尺度上對(duì)吸附在固體表面上??水的吸附結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研宄。接下來簡(jiǎn)要介紹一下近年來國內(nèi)外關(guān)于界面??水結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研宄現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)。??１．?３．?３零維水納米團(tuán)簇的研究現(xiàn)狀??在實(shí)驗(yàn)方面，對(duì)于單個(gè)分子，＊??江穎課題組使用ＳＴＭ，在ＮａＣｌ?ｎ??麵通過雕賊與關(guān)之＿?－??距離ｄ，從而雜縱單個(gè)水分子的??軌道態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)附近的分?．??布，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)水分子的內(nèi)部結(jié)．??構(gòu)成像［３８］，如圖１．３所示。在Ｓ?￡??論計(jì)算層面，人們比較認(rèn)可的一?一?」??般規(guī)律是：在六角密排過渡金屬??圖１．３單個(gè)水分子的亞分子級(jí)成像圖??和貴金屬表面，單個(gè)水分子傾向??吸附在頂位，水分子的偶極矩幾乎與表面平行［３９－４１］。??對(duì)于中等尺寸的水團(tuán)簇（Ｈ２Ｏｎ＝３＿５），Ｍ．?Ｓａｌｍｅｒｏｎ等人在Ｐｄ（ｌｌｌ）表面上觀察到??水分子的吸附、擴(kuò)散和聚集過程。發(fā)現(xiàn)在４０?Ｋ的低溫下，水二聚體擴(kuò)散速度??比單個(gè)水分子快四個(gè)數(shù)量級(jí)［４２］。針對(duì)這一問題，Ｖ．Ａ．Ｒａｎｅａ等人基于密度泛??函理論計(jì)算的結(jié)果，提出了一種新的金屬表面水二聚體擴(kuò)散機(jī)制，它依賴于Ｈ??鍵受體和供體通過量子隧穿重新排列的能力［４３］。后來，Ｔ．?Ｋｍｎａｇａｉ等人在??１０??

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3284301