本文關(guān)鍵詞：金屬表面吸附磁性單分子的低溫掃描隧道顯微學(xué)研究

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【摘要】：在微電子產(chǎn)業(yè)中,基于硅材料的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的小型化就要在不久的將來(lái)達(dá)到最終的極限了。分子電子學(xué)被認(rèn)為是電子器件進(jìn)一步小型化最有希望的研究領(lǐng)域之一,它的主要目標(biāo)是使用單個(gè)分子作為有源電子元件來(lái)構(gòu)建電子電路。由于潛在的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值,分子電子學(xué)已經(jīng)成為了基礎(chǔ)科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。它使我們有可能在單分子尺度上研究電路中由量子力學(xué)主導(dǎo)的電子輸運(yùn)機(jī)制。另外,分子所具有的小尺寸以及各種各樣的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)以及力學(xué)性質(zhì)可以產(chǎn)生許多新奇的量子效應(yīng)。這里,我們利用超高真空低溫掃描隧道顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM)研究了磁性單分子在金屬表面的吸附行為和電子性質(zhì)。在第一章中,主要介紹了分子電子學(xué)的概況。首先引出了納米電子學(xué)的概念,然后詳細(xì)描述了分子電子學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展過程以及取得的最新進(jìn)展,接著講述了我們所使用的STM及其在分子電子學(xué)和磁性自旋探測(cè)方面的應(yīng)用,最后簡(jiǎn)單總述了本論文中所開展的研究工作。在第二章中,我們使用低溫STM研究了吸附在Au(111)表面的三種稀土雙層酞菁REPc2分子(RE= Tb, Dy and Y; Pc= phthalocyanine)的自組裝行為和電子輸運(yùn)性質(zhì)。首先,我們描述了REPc2分子在Au(111)上的吸附行為,分析了具有各種組裝手性結(jié)構(gòu)的分子島,并提出了與其對(duì)應(yīng)的吸附模型。其次,我們?cè)赟TM設(shè)備上展示了不需要增加額外的柵電極就能實(shí)現(xiàn)具有柵壓調(diào)控功能的單分子輸運(yùn)研究。這里Au(111)表面重構(gòu)和分子間相互作用為REPc2分子提供的靜電勢(shì)可以充當(dāng)?shù)刃艍簛?lái)調(diào)控STM隧穿結(jié)中REPc2分子的能級(jí)。通過分析REPc2分子的dI/dV譜,我們觀測(cè)到了低偏壓下分子電導(dǎo)的強(qiáng)烈抑制現(xiàn)象,而且這種抑制效應(yīng)并不會(huì)隨著分子所受到的局域靜電勢(shì)的改變而消除。這使我們可以毫不含糊地確認(rèn)：在STM單分子輸運(yùn)中首次觀測(cè)到了Franck-Condon阻塞。此外我們通過求解基于Anderson-Holstein模型的速率方程,進(jìn)一步從理論上解釋了這里出現(xiàn)的低偏壓下電導(dǎo)抑制現(xiàn)象是由該體系的電子輸運(yùn)中存在的強(qiáng)電聲耦合作用引起的。值得注意的是,相比于傳統(tǒng)的基于金屬電極斷裂技術(shù)制作的三端納米器件在觀測(cè)Franck-Condon阻塞效應(yīng)時(shí)較差的可重復(fù)性,在我們的STM輸運(yùn)中可以在Au(111)表面的每一個(gè)REPc2分子島中觀測(cè)到該效應(yīng),這表明利用STM隧穿結(jié)研究單分子的電子輸運(yùn)性質(zhì)具有較高的可重復(fù)性。在第三章中,我們對(duì)吸附在Au(111)和Cu(111)表面的三種REPc2分子進(jìn)行了非彈性電子隧穿譜(IETS)和非彈性電子隧穿成像(IETM)研究。在Au(111)表面的REPc2分子上,我們觀測(cè)到了五個(gè)明顯的振動(dòng)模(30meV、52meV、77meV、96meV和136meV),其中30meV、52meV和77meV對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模具有非常大的電導(dǎo)增加率(△σ/σ50%)。我們對(duì)這些振動(dòng)模進(jìn)行了STM-IETM表征,得到了具有較高空間分辨的d2I/dV2圖像。此外我們通過第一性原理計(jì)算得到的IETS和IETM模擬結(jié)果能夠與這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地吻合。在Cu(111)表面的REPc2分子上,我們只能觀測(cè)到54meV和78meV這兩個(gè)振動(dòng)模(它們分別與Au(111)上的52meV和77meV振動(dòng)模是同一個(gè)振動(dòng)模式),相應(yīng)的電導(dǎo)增加率只有10%左右,并且與這兩個(gè)振動(dòng)模對(duì)應(yīng)的d2I/dV2圖像具有較差的空間分辨結(jié)構(gòu)。同一個(gè)振動(dòng)模的電導(dǎo)增加率和d2I/dV2圖像在REPc2-Au(111)體系和REPc2-Cu(111)體系中的差異可以歸因于REPc2-Au(111)體系中存在的分子軌道調(diào)制效應(yīng)：當(dāng)分子軌道能級(jí)被調(diào)節(jié)到和振動(dòng)態(tài)能級(jí)處于近共振區(qū)時(shí),會(huì)導(dǎo)致共振增強(qiáng)的振動(dòng)激發(fā),從而使上述振動(dòng)模能量處的電導(dǎo)增加率得到了較大的提高。因此REPc2-Au(111)體系中振動(dòng)模的d2I/dV2圖像也就具有了較高的空間分辨率。但是在REPc2-Cu(111)體系中缺乏這種由分子軌道調(diào)制效應(yīng)引起的振動(dòng)增強(qiáng)激發(fā),再加上Cu襯底對(duì)分子的強(qiáng)烈雜化作用,從而導(dǎo)致振動(dòng)模只有10%左右的電導(dǎo)增加率,與其對(duì)應(yīng)的d2I/dV2圖像的分辨率較差。在第四章中,我們展示了使用低溫掃描隧道顯微鏡原位構(gòu)建具有分子內(nèi)自旋耦合的磁性單分子。吸附在Au(111)表面的單個(gè)picene分子(縮寫為Pc)可以通過STM操縱來(lái)一個(gè)接一個(gè)地容納單個(gè)Co原子,從而形成人造的磁性分子CoxPc (x=1,2,3),其中磁性是由Co原子引入的。不同于先前文獻(xiàn)中報(bào)道的人造磁性分子,CoxPc結(jié)構(gòu)及其磁性質(zhì)在STM操縱中都具有很高的穩(wěn)定性。通過監(jiān)控每個(gè)Co原子位置處Kondo效應(yīng)的演化,我們發(fā)現(xiàn)CoxPc分子的磁性質(zhì)可以通過改變摻雜Co原子的數(shù)目來(lái)調(diào)控。在CoPc和Co2Pc分子中觀測(cè)到的Kondo共振具有完全相同的特征,表明Co2Pc分子中的兩個(gè)磁性Co原子中心之間的自旋耦合作用是微不足道的。但是Co3Pc分子的dI/dV譜費(fèi)米能級(jí)附近顯示了一個(gè)寬的共振特征,該特征可以被分解為一個(gè)Kondo共振和位于其兩側(cè)的電導(dǎo)肩膀,這預(yù)示著Co3Pc分子中的Co原子之間存在著強(qiáng)的自旋耦合作用,我們的基于密度泛函的理論計(jì)算也證實(shí)了這一點(diǎn)。這一發(fā)現(xiàn)表明可以在表面上可控地人工構(gòu)建具有分子內(nèi)自旋耦合的磁性單分子。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH742
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本文編號(hào)：1175958