本文關鍵詞：氧化亞鐵薄膜及其吸附的酞菁氧鈦分子的STM研究

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【摘要】：近幾十年來,超薄的氧化物薄膜以不同于其塊體和厚膜的特性,擁有著許多令人意想不到的物理與化學性質(zhì),從而在高介電材料、太陽能電池、有機發(fā)光二極管、多相催化和分子納米技術等領域獲得了廣泛的研究。外延生長的薄膜中原子位置相對于襯底發(fā)生周期性變化,形成表面性質(zhì)周期變化的納米模板,導致表面勢、表面偶極矩、表面功函數(shù)等電學性質(zhì)發(fā)生相應的改變。這樣的納米模板可以調(diào)制分子或團簇的吸附位置和電子態(tài)。在本論文中,我們利用低溫掃描隧道顯微鏡(LT-STM)研究了Pt(111)單晶表面上氧化亞鐵(FeO)極性薄膜的生長,尤其是雙層FeO的結(jié)構和電子學性質(zhì),及其做為納米模板調(diào)控極性TiOPc分子選擇吸附的特性；我們還研究了該分子在單層FeO納米模板上形成的離散分子轉(zhuǎn)子陣列,并結(jié)合理論計算解釋了陣列中的分子轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)兩種旋轉(zhuǎn)速率的原因。論文的主要內(nèi)容如下：(1)通過對Pt(111)表面上沉積的Fe層進行高溫氧化(900K),得到了規(guī)整的FeO薄膜,我們首先研究了雙層FeO薄膜的結(jié)構。根據(jù)雙層FeO薄膜的原子分辨STM圖像,我們提出了雙層FeO薄膜超結(jié)構對應的原子結(jié)構模型,在第二個FeO雙原子層結(jié)構中,鐵和氧的化學原子數(shù)不再是嚴格的1：1化學配比。由于兩個FeO雙原子層之間的原子堆積關系的不同,導致雙層FeO總偶極矩在表面存在周期性變化,從而調(diào)制極性TiOPc分子的吸附位置與取向。這種模板的調(diào)制特性將有助于在納米尺度構筑分子器件,具有非常重要的應用潛力。(2)我們還發(fā)現(xiàn)隨著FeO薄膜厚度的增加,體系的表面功函數(shù)會連續(xù)地減小。通過對該薄膜原子堆積結(jié)構和電負性的分析,我們解釋了的功函數(shù)減小的原因。雙層FeO薄膜在正、負偏壓下的STM圖像差異顯著,并且掃描隧道顯微譜(STS)反映出隨著功函數(shù)的減小,雙層FeO薄膜載流子注入勢壘發(fā)生顯著的變化,致使體系電導率與電流方向直接相關,具有明顯的二極管整流效應——電子注入勢壘減小,空穴注入勢壘增大。我們利用隧道結(jié)能級示意圖定性分析了載流子注入勢壘變化的原因。(3)低溫掃描隧道顯微鏡結(jié)果還顯示TiOPc分子傾向吸附在單層FeO薄膜的FCC區(qū)域,進而形成規(guī)則排列的分子轉(zhuǎn)子陣列。沉積在FeO表面的TiOPc存在氧原子朝向FeO平面和真空兩種相反取向的吸附構型。正是由于在吸附構型上的差異,分子與襯底的相互作用就會有所區(qū)別,導致分子旋轉(zhuǎn)勢壘的不同,這兩種分子構型的分子也就表現(xiàn)為不同的旋轉(zhuǎn)速度的分子轉(zhuǎn)子。最后,我們結(jié)合DFT計算探究了這兩種分子轉(zhuǎn)子的很多基本特性,確定了這兩種旋轉(zhuǎn)速率的分子轉(zhuǎn)子對應的實際幾何吸附構型,并具體解釋了產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)速率差異的機制。
【關鍵詞】：氧化亞鐵薄膜 酞菁氧鈦 掃描隧道顯微鏡 功函數(shù) 分子轉(zhuǎn)子
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(武漢物理與數(shù)學研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O484
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒言11-23
• 1.1 引言11
• 1.2 單層氧化亞鐵薄膜的研究現(xiàn)狀11-14
• 1.3 酞菁化合物的結(jié)構特點及應用14-18
• 1.3.1 酞菁氧鈦分子的物理化學性質(zhì)15-17
• 1.3.2 酞菁氧鈦分子在金屬表面上的吸附行為17-18
• 1.4 分子轉(zhuǎn)子與分子馬達研究現(xiàn)狀18-21
• 1.5 本論文研究內(nèi)容及意義21-23
• 第二章 雙層氧化亞鐵薄膜的結(jié)構與酞菁氧鈦探針分子的選擇吸附23-34
• 2.1 引言23-24
• 2.2 樣品的制備和實驗方法24-25
• 2.3 雙層氧化亞鐵在Pt(111)表面的生長及結(jié)構25-30
• 2.4 雙層氧化亞鐵的模板效應30-33
• 2.5 小結(jié)33-34
• 第三章 極性氧化亞鐵薄膜對體系表面功函數(shù)的影響34-58
• 3.1 引言34
• 3.2 研究背景34-39
• 3.3 實驗方法39-41
• 3.3.1 場發(fā)射共振39-41
• 3.3.2 實驗細節(jié)41
• 3.4 結(jié)果與討論41-56
• 3.4.1 表面功函數(shù)的測定41-44
• 3.4.2 表面結(jié)構和表面偶極矩的關系44-48
• 3.4.3 層狀氧化亞鐵薄膜的生長規(guī)律48-51
• 3.4.4 氧化亞鐵薄膜整流效應的機理51-56
• 3.5 小結(jié)56-58
• 第四章 單層氧化亞鐵薄膜上酞菁氧鈦分子的吸附——固體襯底上納米尺度排列的分子轉(zhuǎn)子陣列58-70
• 4.1 引言58-59
• 4.2 實驗方法59
• 4.3 氧化亞鐵納米模板上的單分子轉(zhuǎn)子陣列59-62
• 4.4 兩種不同旋轉(zhuǎn)速率的分子轉(zhuǎn)子62-65
• 4.5 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速率差異產(chǎn)生的機制65-68
• 4.6 小結(jié)68-70
• 第五章 總結(jié)70-72
• 參考文獻72-86
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果86-87

【參考文獻】

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1 李榮華;孟衛(wèi)民;彭應全;馬朝柱;汪潤生;謝宏偉;王穎;葉早晨;;陰極功函數(shù)和激子產(chǎn)生率對肖特基接觸單層有機太陽能電池開路電壓的影響研究[J];物理學報;2010年03期

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本文編號：840177