水分子在Cd（0001）表面的吸附与自组装
发布时间：2021-07-14 14:14
水是生物体最重要的组成部分,被誉为生命之源。在自然条件下,几乎所有的固体表面都蒙上了一层薄薄的水雾。水固界面无处不在的特性表明它和我们的日常生活以及许多科技现象息息相关。扫描隧道显微镜（STM）作为一种先进的表面分析仪器,不仅能够观察到水分子在固体表面的形貌,吸附行为,动态扩散过程,分子轨道等,而且可以操纵单个原子或分子。本文利用超高真空-低温扫描隧道显微镜实验手段,配合密度泛函理论（DFT）计算方法,研究了水分子在Cd（0001）基底上吸附和成核的初始阶段。通过实验研究我们发现,水分子在衬底表面聚集形成以二聚体为主导的团簇。在液氦（4.7 K）温度下,我们观察到了吸附在衬底Cd原子不同位置上的单个水分子以及它的LUMO轨道。结合第一性原理,我们对其吸附在不同位置的吸附能以及电偶极矩进行计算,发现水分子吸附在桥位的吸附能高于顶位,并且沿针尖电场方向具有较大的偶极矩,因而在针尖电场的作用下,单分子从稳态（顶位）转变为亚稳态（桥位）。此外,新奇的是,吸附在顶位水分子的偶极矩相对于气态的水分子有一个明显的增加,这意味着在Cd衬底和水分子之间有明显的电荷转移。在液氮（77 K）温度下,水分子聚...
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１最早发明的扫描險道显微镜??
西南大学硕士学位论文??常用于定性分析。原子力显微镜（ＡＦＭ）和扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）是通过??利用原子尺寸尖端和样品表面之间的弱原子间力以及由隧道效应产生的隧道电??流来表征固体形态的方法［１６－１８］，他们可以分析碳纳米材料的尺寸和表面性质。??扫描隧道显微镜和原子力显微镜都具有非常高的分辨率，并且都可以用于原子??尺寸的成像。它们还可以应用于气体，液体，真空以及高温和低温（小于１００??Ｋ）。ＳＴＭ仪器主要用于检测纳米材料表面电子的局部态密度，并通过反馈电??路获得表面原子的结构分布和形态。尽管ＡＦＭ是原子特性的直接观察，但它??可以轻松地测量一些纳米粒子的大小及其整体分布参数。表面表征技术正变得??越来越完善，表征技术的进步为髙性能器件设计和合成的可行性奠定了基础并??提出了新的思路。??光谱分析方法主要包括发射光谱法，吸收光谱法和散射光谱法。碳纳米材??料常用的分析方法主要是吸收光谱和散射光谱，例如紫外可见吸收光谱，傅立??叶红外吸收光谱，Ｘ射线吸收光谱，核磁共振光谱和拉曼光谱。??１．３分子自组装??愈?ＩＩ?＿??＿％響??－－ａｎｉ４??图１．２分子自组装过程（引用）??分子自组装是指在不涉及人为因素的情况下，基于弱的非共价键在分子之??间的弱相互作用力，自发形成稳定有序的分子聚合物系统的过程，如图１．２所??示。这里提到的弱相互作用力主要包括静电力（偶极相互作用和电四极矩相互??作用），范德华力，氢键（Ｈ键）和堆积相互作用等［１９－２０］。分子自组装??６??
子力显微镜和低能电子衍射等多??种实验方法和第一性原理计算方法相结合，在分子尺度上对吸附在固体表面上??水的吸附结构进行了深入的研宄。接下来简要介绍一下近年来国内外关于界面??水结构和性质的研宄现状和发展动态。??１．?３．?３零维水纳米团簇的研究现状??在实验方面，对于单个分子，＊??江颖课题组使用ＳＴＭ，在ＮａＣｌ?ｎ??麵通过雕賊与關之＿?－??距离ｄ，从而雜纵单个水分子的??轨道态密度在费米能级附近的分?．??布，实现了单个水分子的内部结．??构成像［３８］，如图１．３所示。在Ｓ?￡??论计算层面，人们比较认可的一?一?」??般规律是：在六角密排过渡金属??图１．３单个水分子的亚分子级成像图??和贵金属表面，单个水分子倾向??吸附在顶位，水分子的偶极矩几乎与表面平行［３９－４１］。??对于中等尺寸的水团簇（Ｈ２Ｏｎ＝３＿５），Ｍ．?Ｓａｌｍｅｒｏｎ等人在Ｐｄ（ｌｌｌ）表面上观察到??水分子的吸附、扩散和聚集过程。发现在４０?Ｋ的低温下，水二聚体扩散速度??比单个水分子快四个数量级［４２］。针对这一问题，Ｖ．Ａ．Ｒａｎｅａ等人基于密度泛??函理论计算的结果，提出了一种新的金属表面水二聚体扩散机制，它依赖于Ｈ??键受体和供体通过量子隧穿重新排列的能力［４３］。后来，Ｔ．?Ｋｍｎａｇａｉ等人在??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cd（0001）基底上并五苯分子单层的结构相变[J]. 石明霞,刘雷,陶敏龙,孙凯,涂玉兵,赵丽娟,王俊忠. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(11)
[2]现代涡轮分子泵的进展[J]. 巴德纯,王晓冬,刘坤,杨乃恒. 真空. 2010(04)
[3]全氟并五苯在半金属Ga表面的分子二聚化及自组装单层[J]. 彭桂平,王进华,兰梦,邵婷娜,王俊忠,武志坚,樱井利夫. 中国科学:化学. 2010(02)
[4]超高/极高真空测量发展综述[J]. 李得天,成永军,冯焱,卢耀文,赵澜,徐婕. 真空科学与技术学报. 2009(05)
[5]钛泵的原理与故障分析[J]. 王维明,王珏. 真空. 2008(02)
[6]对油封机械泵一些主要性能的分析[J]. 杨乃恒. 真空. 2005(05)
[7]分子自组装研究进展[J]. 刘海林,马晓燕,袁莉,黄韵. 材料科学与工程学报. 2004(02)
[8]自组装膜的研究应用新进展[J]. 霍莉,丁克强,左卫霞,王庆飞,童汝亭. 河北师范大学学报. 2003(06)
[9]扫描隧道显微镜系统[J]. 杨学恒,陈安,何光宏,冯晓娟,王应芳,詹捷,唐志良. 重庆大学学报(自然科学版). 2001(03)
[10]分子自组装研究进展[J]. 徐伟平,李光宪. 化学通报. 1999(02)
本文编号：3284301
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１最早发明的扫描險道显微镜??
西南大学硕士学位论文??常用于定性分析。原子力显微镜（ＡＦＭ）和扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）是通过??利用原子尺寸尖端和样品表面之间的弱原子间力以及由隧道效应产生的隧道电??流来表征固体形态的方法［１６－１８］，他们可以分析碳纳米材料的尺寸和表面性质。??扫描隧道显微镜和原子力显微镜都具有非常高的分辨率，并且都可以用于原子??尺寸的成像。它们还可以应用于气体，液体，真空以及高温和低温（小于１００??Ｋ）。ＳＴＭ仪器主要用于检测纳米材料表面电子的局部态密度，并通过反馈电??路获得表面原子的结构分布和形态。尽管ＡＦＭ是原子特性的直接观察，但它??可以轻松地测量一些纳米粒子的大小及其整体分布参数。表面表征技术正变得??越来越完善，表征技术的进步为髙性能器件设计和合成的可行性奠定了基础并??提出了新的思路。??光谱分析方法主要包括发射光谱法，吸收光谱法和散射光谱法。碳纳米材??料常用的分析方法主要是吸收光谱和散射光谱，例如紫外可见吸收光谱，傅立??叶红外吸收光谱，Ｘ射线吸收光谱，核磁共振光谱和拉曼光谱。??１．３分子自组装??愈?ＩＩ?＿??＿％響??－－ａｎｉ４??图１．２分子自组装过程（引用）??分子自组装是指在不涉及人为因素的情况下，基于弱的非共价键在分子之??间的弱相互作用力，自发形成稳定有序的分子聚合物系统的过程，如图１．２所??示。这里提到的弱相互作用力主要包括静电力（偶极相互作用和电四极矩相互??作用），范德华力，氢键（Ｈ键）和堆积相互作用等［１９－２０］。分子自组装??６??
子力显微镜和低能电子衍射等多??种实验方法和第一性原理计算方法相结合，在分子尺度上对吸附在固体表面上??水的吸附结构进行了深入的研宄。接下来简要介绍一下近年来国内外关于界面??水结构和性质的研宄现状和发展动态。??１．?３．?３零维水纳米团簇的研究现状??在实验方面，对于单个分子，＊??江颖课题组使用ＳＴＭ，在ＮａＣｌ?ｎ??麵通过雕賊与關之＿?－??距离ｄ，从而雜纵单个水分子的??轨道态密度在费米能级附近的分?．??布，实现了单个水分子的内部结．??构成像［３８］，如图１．３所示。在Ｓ?￡??论计算层面，人们比较认可的一?一?」??般规律是：在六角密排过渡金属??图１．３单个水分子的亚分子级成像图??和贵金属表面，单个水分子倾向??吸附在顶位，水分子的偶极矩几乎与表面平行［３９－４１］。??对于中等尺寸的水团簇（Ｈ２Ｏｎ＝３＿５），Ｍ．?Ｓａｌｍｅｒｏｎ等人在Ｐｄ（ｌｌｌ）表面上观察到??水分子的吸附、扩散和聚集过程。发现在４０?Ｋ的低温下，水二聚体扩散速度??比单个水分子快四个数量级［４２］。针对这一问题，Ｖ．Ａ．Ｒａｎｅａ等人基于密度泛??函理论计算的结果，提出了一种新的金属表面水二聚体扩散机制，它依赖于Ｈ??键受体和供体通过量子隧穿重新排列的能力［４３］。后来，Ｔ．?Ｋｍｎａｇａｉ等人在??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cd（0001）基底上并五苯分子单层的结构相变[J]. 石明霞,刘雷,陶敏龙,孙凯,涂玉兵,赵丽娟,王俊忠. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(11)
[2]现代涡轮分子泵的进展[J]. 巴德纯,王晓冬,刘坤,杨乃恒. 真空. 2010(04)
[3]全氟并五苯在半金属Ga表面的分子二聚化及自组装单层[J]. 彭桂平,王进华,兰梦,邵婷娜,王俊忠,武志坚,樱井利夫. 中国科学:化学. 2010(02)
[4]超高/极高真空测量发展综述[J]. 李得天,成永军,冯焱,卢耀文,赵澜,徐婕. 真空科学与技术学报. 2009(05)
[5]钛泵的原理与故障分析[J]. 王维明,王珏. 真空. 2008(02)
[6]对油封机械泵一些主要性能的分析[J]. 杨乃恒. 真空. 2005(05)
[7]分子自组装研究进展[J]. 刘海林,马晓燕,袁莉,黄韵. 材料科学与工程学报. 2004(02)
[8]自组装膜的研究应用新进展[J]. 霍莉,丁克强,左卫霞,王庆飞,童汝亭. 河北师范大学学报. 2003(06)
[9]扫描隧道显微镜系统[J]. 杨学恒,陈安,何光宏,冯晓娟,王应芳,詹捷,唐志良. 重庆大学学报(自然科学版). 2001(03)
[10]分子自组装研究进展[J]. 徐伟平,李光宪. 化学通报. 1999(02)
本文编号：3284301
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