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本文的工作主要是利用超高真空低温扫描隧道显微镜(STM)来研究金属表面上的超分子自组装结构的调控方法。在纳米研究领域,人们一直试图发展分子尺度的材料成形技术并在单分子水平上对性能进行精确调控,正是源于这种需要,目前在金属表面上可控生长有机超分子结构已经成为了一个热点问题。本文分别介绍了四类可以调控超分子自组装结构的方法。结构调控的成功实现也给我们设计和构筑纳米尺度下的分子器件提供了一条有效的途径。
本文第一部分介绍亚酞菁硼氯(SubPc)分子在Au(111)表面上的吸附行为。在不同的覆盖度和基底温度下,我们发现总共四种不同的分子结构。自发对称性破缺导致所有结构中都存在着镜面对称的畴,而超分子结构里自身的手性则是通过相邻分子或分子多聚体的相对位置表现的。实验中高分辨的STM图像说明通过改变覆盖度这种方法可以有效的调控超分子自组装结构的转变。
第二部分介绍的是一种特殊而有效的控制和排列酞菁铁(FePc)分子的方法。在Au(1111)表面上,FePc分子的扩散能力在受到温度影响的同时,在特定温度下也能受到加外电场的影响而减弱或增强。通过密度泛函理论的计算,我们进一步分析了这种现象的成因,证实了电场对分子和基底间的电荷分布的影响。这种变化随之改变了分子和基底的相互作用力以及扩散势垒的大小。FePc分子在Au(111)表面上的固定和可控运动也让将来利用这个体系搭建可擦写分子器件成为了可能。
第三部分介绍通过加入金属原子让有机分子在金属衬底上搭建新结构的方法。这部分内容成功的将化学配位技术应用到了表面结构上。通过这种方法,将金属锰原子和带有氰基的芳香族化合物TCNQ分子自组装连接起来,形成了多种具有电荷转移特性的混合结构。同时,我们还利用F4TCNQ分子和Au(111)基底的强相互作用造成的表面增原子与分子本身形成了一种金原子配位的结构。
最后介绍的是通过化学反应改变分子种类从而引起超分子自组装结构的转变。在基底470K的温度以下,利用对温度的精确控制可以改变TPA分子的脱氢状态从而改变分子的自组装结构。而在基底470K的温度以上时,通过STM实验发现伴随着分子自组装结构转变的脱羧基以及其后续化合反应。TPA分子形成了BDA或者TDA分子。这个变化也给将来通过真空升华的办法制备大分子量的分子或聚合物分子提供了一种新的思路。
本论文以调控器件的性能为目标,从基础科学的角度出发展开研究,所介绍的四种调控超分子结构的方法都具有在金属表面搭建分子器件的应用前景。