【摘要】：1959年,美國物理學家費曼在其著名的演講中提出一個大膽假設:如果我們能夠按照我們想要得方式來排列原子,完全發(fā)揮每個原子的特性,那么會怎么樣?低維納米材料的不斷發(fā)展與掃描隧道顯微鏡(STM)的發(fā)明,讓這一大膽猜想逐漸成為現(xiàn)實。一方面,根據(jù)摩爾定律,芯片集成程度每兩年翻一番,我們很快就會達到電子器件集成的極限。尋找新型納米材料和新奇物理效應來設計新型高性能器件成為了當務之急。石墨烯的發(fā)現(xiàn),叩響了二維材料的大門。石墨烯因為其優(yōu)良性質(zhì),受到人們的廣泛關注,但是也有其自身的缺陷。為了解決這些問題,除了對石墨烯本身進行調(diào)控研究外,人們將目光放到了更加廣泛的類石墨烯二維材料系列。其中與石墨烯同一主族的硅烯和同一周期的硼烯,是最近幾年來人們關注的熱點,它們的制備和性質(zhì)研究吸引了廣大科研工作者的興趣。另一方面,STM的發(fā)明,讓我們可以真正從實空間探測和操控原子結(jié)構(gòu),是研究低維納米材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的絕佳工具。同時它也能夠用來研究金屬表面分子的結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì),在表面催化工業(yè)中有著廣泛的應用前景。在本論文中,我們利用分子束外延技術(MBE)和STM對金屬表面的硅烯、硼烯和CO分子做了相應的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究。論文內(nèi)容主要包括以下三個部分:1.利用MBE的方法,我們對Ag(111)表面的單層硅烯做了鹵化的修飾,利用STM對其結(jié)構(gòu)進行了表征和分析,發(fā)現(xiàn)了充分鹵化后的硅烯趨向形成幾種有序結(jié)構(gòu),通過分析,解釋了這些有序結(jié)構(gòu)形成的原因,也為后續(xù)研究基于鹵化硅烯新奇物理性質(zhì)提供了平臺。2.利用STM,我們對Ag(111)上硼烯的性質(zhì)做了研究,在硼烯的疇界處發(fā)現(xiàn)了異常的一維電荷密度調(diào)制。利用MBE的方法,我們在Al(111)襯底上生長出了蜂窩結(jié)構(gòu)的硼烯,打破了蜂窩硼烯不能夠穩(wěn)定存在的預言。結(jié)合理論計算分析發(fā)現(xiàn),蜂窩硼烯之所以能夠穩(wěn)定存在是因為鋁襯底給每個硼原子提供了將近一個電子。3.利用MBE低溫生長和STM原位表征,我們研究了CO分子在Cu(111)表面的吸附行為。在77 K溫度下少量吸附時,在銅表面的點缺陷附近發(fā)現(xiàn)了反常的CO擴散行為。在大量吸附的情況下,我們發(fā)現(xiàn)了高密度的CO分子晶體相,并且隨著溫度的下降,有一個密度反常的液態(tài)晶體到固態(tài)晶體的相變。結(jié)合理論計算研究發(fā)現(xiàn),造成這種密度反常相變的原因是CO分子的氣體振動熵,氣體分子熵通常在研究類似問題中被忽略不計,我們的研究為處理類似的氣體吸附或相變現(xiàn)象問題提供了重要參考。
【圖文】：

而 5 nm 的微加工工藝已經(jīng)接近電子束光刻的極限。要芯片的性能，光靠增加器件的集成度是不夠的，加大對新型量子材性質(zhì)的研究，開發(fā)新型高性能量子器件才是根本之法。米科學甚至是凝聚態(tài)物理的發(fā)展，離不開納米材料合成的進步，也征手段的突破。1959 年，著名的物理學家費曼在他的一次重要演猜想：如果我們能夠按我們想要的方式來重新排列原子，把每個原到底，那將會怎樣？石墨烯材料的研究進展那之后，科學家們已經(jīng)開始有意識地去合成納米材料了。1985 年《Nature》上發(fā)表一篇文章，報道了他們成功制備出的一種足球形為了向建筑師富勒致敬，將其命名為富勒烯(1)。

硅烯、硼烯和 CO 分子晶體的 MBE 生長與 STM 研究富勒烯的成功制備，讓人們認識到，即便是幾十個原子的納米結(jié)構(gòu)，，也現(xiàn)有序的結(jié)構(gòu)。富勒烯的發(fā)現(xiàn)推動了納米科學的發(fā)展，Kroto 等人也因此 1996 年的諾貝爾化學獎。
【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】：2018
【分類號】：O78

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1 蘇顯云,周秀t

本文編號：2663237