硅烯、硼烯和CO分子晶体的MBE生长与STM研究

发布时间：2020-05-14 10:52

【摘要】：1959年,美国物理学家费曼在其著名的演讲中提出一个大胆假设:如果我们能够按照我们想要得方式来排列原子,完全发挥每个原子的特性,那么会怎么样?低维纳米材料的不断发展与扫描隧道显微镜(STM)的发明,让这一大胆猜想逐渐成为现实。一方面,根据摩尔定律,芯片集成程度每两年翻一番,我们很快就会达到电子器件集成的极限。寻找新型纳米材料和新奇物理效应来设计新型高性能器件成为了当务之急。石墨烯的发现,叩响了二维材料的大门。石墨烯因为其优良性质,受到人们的广泛关注,但是也有其自身的缺陷。为了解决这些问题,除了对石墨烯本身进行调控研究外,人们将目光放到了更加广泛的类石墨烯二维材料系列。其中与石墨烯同一主族的硅烯和同一周期的硼烯,是最近几年来人们关注的热点,它们的制备和性质研究吸引了广大科研工作者的兴趣。另一方面,STM的发明,让我们可以真正从实空间探测和操控原子结构,是研究低维纳米材料结构和性质的绝佳工具。同时它也能够用来研究金属表面分子的结构和物理化学性质,在表面催化工业中有着广泛的应用前景。在本论文中,我们利用分子束外延技术(MBE)和STM对金属表面的硅烯、硼烯和CO分子做了相应的结构和性质的研究。论文内容主要包括以下三个部分:1.利用MBE的方法,我们对Ag(111)表面的单层硅烯做了卤化的修饰,利用STM对其结构进行了表征和分析,发现了充分卤化后的硅烯趋向形成几种有序结构,通过分析,解释了这些有序结构形成的原因,也为后续研究基于卤化硅烯新奇物理性质提供了平台。2.利用STM,我们对Ag(111)上硼烯的性质做了研究,在硼烯的畴界处发现了异常的一维电荷密度调制。利用MBE的方法,我们在Al(111)衬底上生长出了蜂窝结构的硼烯,打破了蜂窝硼烯不能够稳定存在的预言。结合理论计算分析发现,蜂窝硼烯之所以能够稳定存在是因为铝衬底给每个硼原子提供了将近一个电子。3.利用MBE低温生长和STM原位表征,我们研究了CO分子在Cu(111)表面的吸附行为。在77 K温度下少量吸附时,在铜表面的点缺陷附近发现了反常的CO扩散行为。在大量吸附的情况下,我们发现了高密度的CO分子晶体相,并且随着温度的下降,有一个密度反常的液态晶体到固态晶体的相变。结合理论计算研究发现,造成这种密度反常相变的原因是CO分子的气体振动熵,气体分子熵通常在研究类似问题中被忽略不计,我们的研究为处理类似的气体吸附或相变现象问题提供了重要参考。
【图文】：

而 5 nm 的微加工工艺已经接近电子束光刻的极限。要芯片的性能，光靠增加器件的集成度是不够的，加大对新型量子材性质的研究，开发新型高性能量子器件才是根本之法。米科学甚至是凝聚态物理的发展，离不开纳米材料合成的进步，也征手段的突破。1959 年，著名的物理学家费曼在他的一次重要演猜想：如果我们能够按我们想要的方式来重新排列原子，把每个原到底，那将会怎样？石墨烯材料的研究进展那之后，科学家们已经开始有意识地去合成纳米材料了。1985 年《Nature》上发表一篇文章，报道了他们成功制备出的一种足球形为了向建筑师富勒致敬，将其命名为富勒烯(1)。

硅烯、硼烯和 CO 分子晶体的 MBE 生长与 STM 研究富勒烯的成功制备，让人们认识到，即便是几十个原子的纳米结构，，也现有序的结构。富勒烯的发现推动了纳米科学的发展，Kroto 等人也因此 1996 年的诺贝尔化学奖。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O78

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本文编号：2663237