氧化亚铁薄膜及其吸附的酞菁氧钛分子的STM研究

发布时间：2017-09-12 23:32

  本文关键词：氧化亚铁薄膜及其吸附的酞菁氧钛分子的STM研究

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【摘要】：近几十年来,超薄的氧化物薄膜以不同于其块体和厚膜的特性,拥有着许多令人意想不到的物理与化学性质,从而在高介电材料、太阳能电池、有机发光二极管、多相催化和分子纳米技术等领域获得了广泛的研究。外延生长的薄膜中原子位置相对于衬底发生周期性变化,形成表面性质周期变化的纳米模板,导致表面势、表面偶极矩、表面功函数等电学性质发生相应的改变。这样的纳米模板可以调制分子或团簇的吸附位置和电子态。在本论文中,我们利用低温扫描隧道显微镜(LT-STM)研究了Pt(111)单晶表面上氧化亚铁(FeO)极性薄膜的生长,尤其是双层FeO的结构和电子学性质,及其做为纳米模板调控极性TiOPc分子选择吸附的特性；我们还研究了该分子在单层FeO纳米模板上形成的离散分子转子阵列,并结合理论计算解释了阵列中的分子转子呈现两种旋转速率的原因。论文的主要内容如下：(1)通过对Pt(111)表面上沉积的Fe层进行高温氧化(900K),得到了规整的FeO薄膜,我们首先研究了双层FeO薄膜的结构。根据双层FeO薄膜的原子分辨STM图像,我们提出了双层FeO薄膜超结构对应的原子结构模型,在第二个FeO双原子层结构中,铁和氧的化学原子数不再是严格的1：1化学配比。由于两个FeO双原子层之间的原子堆积关系的不同,导致双层FeO总偶极矩在表面存在周期性变化,从而调制极性TiOPc分子的吸附位置与取向。这种模板的调制特性将有助于在纳米尺度构筑分子器件,具有非常重要的应用潜力。(2)我们还发现随着FeO薄膜厚度的增加,体系的表面功函数会连续地减小。通过对该薄膜原子堆积结构和电负性的分析,我们解释了的功函数减小的原因。双层FeO薄膜在正、负偏压下的STM图像差异显著,并且扫描隧道显微谱(STS)反映出随着功函数的减小,双层FeO薄膜载流子注入势垒发生显著的变化,致使体系电导率与电流方向直接相关,具有明显的二极管整流效应——电子注入势垒减小,空穴注入势垒增大。我们利用隧道结能级示意图定性分析了载流子注入势垒变化的原因。(3)低温扫描隧道显微镜结果还显示TiOPc分子倾向吸附在单层FeO薄膜的FCC区域,进而形成规则排列的分子转子阵列。沉积在FeO表面的TiOPc存在氧原子朝向FeO平面和真空两种相反取向的吸附构型。正是由于在吸附构型上的差异,分子与衬底的相互作用就会有所区别,导致分子旋转势垒的不同,这两种分子构型的分子也就表现为不同的旋转速度的分子转子。最后,我们结合DFT计算探究了这两种分子转子的很多基本特性,确定了这两种旋转速率的分子转子对应的实际几何吸附构型,并具体解释了产生旋转速率差异的机制。
【关键词】：氧化亚铁薄膜 酞菁氧钛 扫描隧道显微镜 功函数 分子转子
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O484
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪言11-23
• 1.1 引言11
• 1.2 单层氧化亚铁薄膜的研究现状11-14
• 1.3 酞菁化合物的结构特点及应用14-18
• 1.3.1 酞菁氧钛分子的物理化学性质15-17
• 1.3.2 酞菁氧钛分子在金属表面上的吸附行为17-18
• 1.4 分子转子与分子马达研究现状18-21
• 1.5 本论文研究内容及意义21-23
• 第二章 双层氧化亚铁薄膜的结构与酞菁氧钛探针分子的选择吸附23-34
• 2.1 引言23-24
• 2.2 样品的制备和实验方法24-25
• 2.3 双层氧化亚铁在Pt(111)表面的生长及结构25-30
• 2.4 双层氧化亚铁的模板效应30-33
• 2.5 小结33-34
• 第三章 极性氧化亚铁薄膜对体系表面功函数的影响34-58
• 3.1 引言34
• 3.2 研究背景34-39
• 3.3 实验方法39-41
• 3.3.1 场发射共振39-41
• 3.3.2 实验细节41
• 3.4 结果与讨论41-56
• 3.4.1 表面功函数的测定41-44
• 3.4.2 表面结构和表面偶极矩的关系44-48
• 3.4.3 层状氧化亚铁薄膜的生长规律48-51
• 3.4.4 氧化亚铁薄膜整流效应的机理51-56
• 3.5 小结56-58
• 第四章 单层氧化亚铁薄膜上酞菁氧钛分子的吸附——固体衬底上纳米尺度排列的分子转子阵列58-70
• 4.1 引言58-59
• 4.2 实验方法59
• 4.3 氧化亚铁纳米模板上的单分子转子阵列59-62
• 4.4 两种不同旋转速率的分子转子62-65
• 4.5 转子旋转速率差异产生的机制65-68
• 4.6 小结68-70
• 第五章 总结70-72
• 参考文献72-86
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果86-87

【参考文献】

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1 李荣华;孟卫民;彭应全;马朝柱;汪润生;谢宏伟;王颖;叶早晨;;阴极功函数和激子产生率对肖特基接触单层有机太阳能电池开路电压的影响研究[J];物理学报;2010年03期

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本文编号：840177