功能分子组装与调控

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材料在界面上的组成及堆积结构等性质,会影响纳米器件功能的发挥。因此,研究二维尺度上的微纳结构,就成为了材料研究领域中的一个重要方向。  本论文选取三种不同体系——BT-O-C16体系、D-π-A三角环状分子体系和芳香多环二酰亚胺体系作为研究对象,利用扫描隧道显微技术(STM),分别研究了溶剂效应诱导、引入客体分子和改变浓度及温度对二维组装体系的调控。研究结果如下:  (1)当分别选用1-苯基辛烷、正十四烷、正十二烷、癸烷、庚烷、庚酸以及辛酸作为溶剂时,BT-O-C16会以不同的结构形成二维自组装。在1-苯基辛烷/HOPG和辛烷/HOPG界面下,BT-O-C16会组装形成规整的菱形型网格。选用正十四烷、正十二烷和癸烷作为溶剂可以在石墨表面得到紧密堆积的平行结构。有趣的是,在BT-O-C16/庚酸和BT-O-C16/辛酸体系中,我们同时发现了疏松排列的平行结构与菱形网格。两种溶剂分别通过协同作用影响并参与了BT-O-C16分子的自组装行为。  (2)我们利用STM技术探究了浓度和温度的改变对D-π-A三角环状分子MC1的组装行为调控。研究表明,浓度以及温度的改变都会影响MC1分子的组装行为。在高浓度下,MC1分子会在石墨表面形成具有多种空腔的紧密排列的二维网格,而相邻的六个分子交替排列,可形成一个六边形空腔。每个六边形空腔的周围又环绕着六个四边形空腔,构成这些四边形空腔的MC1分子分别来自两个相邻六边形网格,且来自同一网格的两个MC1的分子朝向是相反的。另一方面,在低浓度下,MC1分子只能形成单一的六边形空腔。需要指出的是,这两种不同浓度情况下,我们都没能在石墨表面得到大范围规则有序的MC1组装体结构。有意思的是,通过加热退火的方法,我们得到了较大面积的MC1稳定结构。  (3)我们利用STM技术探究了四种芳香多环二酰亚胺化合物PAI1、PAI2、PAI6和PAI8在石墨表面的组装行为。研究发现:四种分子都能下石墨表面形成紧密堆积的条陇结构,但由于芳环共轭核心的取向不同,PAI1在石墨表面的组装结构与其他三种化合物有着明显的差异,这种差异明显的体现在对客体分子的共吸附作用上。当我们引入蒄分子对组装体系进行调控时,得到了两种不同的结果:只有PAI1可以与蒄形成共组装结构。与以往利用空腔的选择性引入客体分子不同,我们利用紧密排列的模板得到了PAI1与蒄的共组装结构。理论计算结果表明,在PAI系列分子体系中,模板分子与基底的相互作用是决定性作用。PAI1分子有着最高的单位面积总能量,因此其在石墨表面的吸附表现出热力学不稳定性,这也是PAI1分子能够作为模板承载蒄分子的原因。
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