《Clt60gt分子在Si11177重构表面MBE生长的STMSTS研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Clt60gt分子在Si11177重构表面MBE生长的STMSTS研究（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、上海交通大学硕士学位论文C分子在Si（111）-77重构表面MBE生长的STM/STS研究姓名：赵明海申请学位级别：硕士专业：凝聚态物理指导教师：梁齐20090202上海交通大学硕士学位论文 C60分子在分子在 Si(111)-77 重构表面重构表面 MBE 生长的生长的 STM/STS 研究研究 摘要摘要 本文主要在超高真空条件下利用分子束外延技术完成C60分子在Si(111)-77的生长，研究了分子与衬底之间的相互作用以及其随温度的变化情况。在此基础上还研究了多层分子在硅衬底的生长模式， 实现了通过控制退火温度改变分子的生长规律。 通过控制单分子在硅表面的生长，利用扫描隧道显微镜（STM）
2、发现分子由于受到衬底作用力的不同而有一定的生长分布规律。室温下，电子从衬底硅原子转移到分子最低未占据态；经过 400退火后，衬底表面基本没有被破坏，出现分子从台面向台阶定向移动的现象；当退火温度为 600-700时，衬底受到一定程度的破坏，分子在衬底缺陷处形成类似二聚体的结构，与硅原子之间的相互作用转变为共价键，形成 Si-C60化合物；900下直流退火后，C60分子的笼状结构被破坏，衬底缺陷明显增多，此时生成物的表面形貌呈岛状，于是我们推断岛状物为碳硅化合物；当直流退火温度达到 1250时，碳硅化合物消失，硅表面重新结晶形成较为有序的 77 重构。 通过比较分子在硅衬底不同位置的 STS 结
3、果，再次证明 Si(111)-77 表面不同位置上的 C60分子存在不同程度的电子转移，在硅表面的 C60分子带宽明显小于 1.6-1.9eV（空间自由分子的带宽） 。增加覆盖度，发现室温下分子按照Stankski-Krastanov 模式生长。经过 600背烘退火，分子形成排列有序的“双区摘要 ii域”结构。在此有序结构上继续沉积 C60，发现后入射的分子按照 Frank-van der Merwe 模式生长。 关键字：关键字：扫描隧道显微镜，分子束外延，C60，Si(111)-77 重构表面 目录 viSTM/STS investigations of the epitaxial grow
4、th of C60 molecule on Si(111)77 reconstruction surface Abstract In this thesis, the epitaxial growth of C60 on Si(111)-77 surface in ultrahigh vacuum system and the changing interaction between molecules and substrate with temperature were studied. Scanning tunneling microscopy has been applied to s
5、tudy the multilayer growth process of C60 molecules on Si surface, the growth mode could be changed by controlling the annealing temperature. Using MBE technology, we can achieve the single molecule growing on Si surface, the intensity of the interaction between C60 and Si atom was related to adsorp
6、tion site. At room temperature, the interaction was characterized by charge transfer from the occupied surface dangling bond states to the lowest unoccupied molecular orbital of C60 molecule; after annealing at 400, the reconstruction surface was not destroyed, molecule had directional motion toward
7、s step edges; when annealing at 600-700, two C60 molecules bonded together within surface defects and formed molecules dimers, the interaction also became covalent bonds by forming Si-C60 compound; if annealing 900 directly, the decomposition of C60 molecules and released carbon atom reacted with 上海
8、交通大学硕士学位论文 vii destroyed Si substrate forming SiC islands; after annealing 1250, C60 molecules or SiC compound disappeared, the destroyed substrate recover 77 structure through recrystallization. The STS results of C60 molecules at various adsorption sites on Si(111)-77 surface was different, which
9、could also prove the intensity of interaction was related to adsorption site. The band gab of these molecules was much smaller than that of free molecules in space. At room temperature, the growth of C60 molecules on Si surface was Stankski-rastanov mode. After annealing 600, C60 formed local orderi
10、ng structure which was made of distinct double domains. On the local ordering surface, growth of molecules became Frank-van der Merwe mode. Key words: Scanning tunneling microscopy, Molecule beam epitaxy, C60, Si(111)-77 restructured surface 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的
11、成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：赵明海 日期：2009 年 2 月 2 日 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 纳米材料的形貌分析的重要性 材料的形貌尤其是纳米材料的形貌是材料分析的重要组成部分， 材料的很多重要物理化学性能是由其形貌特征所决定的。对于纳米材料，其性能不仅与材料颗粒大小还与材料的形貌有重要关系。 如颗粒纳米材料与纳米线和纳米管的物理化学性能有很大差异。因此纳米材料的形
12、貌分析是纳米研究的重要内容。形貌分析的主要内容是分析材料的几何形貌，材料的颗粒度，材料颗粒的分布，纳米颗粒的自组装形貌分布以及形貌微区的成分和物相结构等方面。 纳米材料常用的形貌分析方法主要有1：扫描电子显微(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)。与其他表面分析技术相比，扫描隧道显微镜有许多优点：它的分辨率很高在平行和垂直于表面方向的分辨率分别高达 0.1nm 和 0.01nm，即可分辨出单个原子。不仅可以得到单原子层表面的局部结构，还可以直接观测到局部的表面缺陷、表面重构、表面吸附的形态和位置以及由吸附体引起的表面重构等。STM 基于量子理论中
13、的隧道效应原理，所以 STM 图像不仅包括材料表面的形貌信息，而且包含样品表面电子态密度信息。STM 可实时地得到在实空间中表面的三维图像，可用于研究具有周期性或不具备周期性的表面结构，非常有利于对表面反应、表面扩散等动态过程的研究。STM 还可以用于纳米加工、原子操纵等很多方面。由于上述特点，STM 近年来在表面科学研究中起到了越来越重要的作用。 扫描隧道显微镜（STM）针对一些导电固体样品的形貌分析，可以达到原子级的分辨率，由于受到导电性的限制，基于 STM 的基本原理，目前已发展起来的扫描探针显微镜（SPM）有原子力显微镜（AFM），磁力显微镜（MFM），光子扫描隧道显微镜（PSTM）等
14、，已经对其研究对象不再有什么限制。 1.2 纳米材料自组装 第一章 绪论 2近年来，纳米科学与技术的研究处于一个蓬勃发展的时期。纳米结构的开发和应用被视为这一领域发展的关键。特别是纳米结构在数据存储、通讯以及生物技术等领域的应用，如高并行数字处理器2，高密度数字存储媒体3-6，生物传感器等，为推动纳米科技的发展起着重要的作用。 为了全面开发纳米材料的潜能，需要在合成、制作及其基本性质的掌握等方面实现革命性的突破和进展。 应用纳米结构的重要突破在于发展涉及各种自组装技术的自下而上的合成方法，高效获得有序纳米结构阵列。新的化学合成方法已发展成熟，可生产出高质量的样品，并可以容易地制造出表面性质和形
15、状都可控的样品。例如，可以很方便地获得球形粒子和棒状粒子。用不同的自组装方法可以构造出超窄尺寸分布的粒子点阵结构或人工原子结构。由于粒子间的相互作用，自组装的超点阵结构与孤立原子相比其性质已发生改变。 蕴含在自组装技术中的理念是分子（或原子）总会寻求对于它们能量最低的状态，即能量最低原理。如果和临近的分子（或原子）结合能够完成这一过程，分子（或原子）之间就会产生键合；如果重新排列它们的位置（取向）能够达到这一效果，它们将重排。在一个分子中，通过电荷间的相互作用力使其他形式的能量最小化。 基于这样的理念，自组装技术自然的以我们想要的方式使部件（组分）将自身组织起来。在自组装过程中的力通常比组分（
16、原子或分子）聚集在一起的结合键力要弱。它们是弱库仑作用力，在自然界中广泛存在。例如，液态水中一个水分子的氢原子和另一个水分子的氧原子产生弱相互作用，称为氢键，这种弱相互作用阻止了室温下水分子的气化。 自组装技术中， 纳米构建者引入特殊的原子或分子到一个表面或一个预先构建的纳米结构上；其后，这些分子或原子自动排列至特殊位置，有时形成弱结合键，有时形成强的共价键，以达到能量最小化的目的。这种组装技术的巨大优点是以自组方式就能制备出较大的组织结构，无需再单独制作特殊的纳米结构。自组装技术很可能会成为制造较大纳米结构首选的方法。 为了使莫尔定律在下一个十年中继续有效， 就需要使用像自组装这样的简便方法制造出大的纳米结构以用于超高密度存储器等器件中。由于自组装技术的通用性、并具有制备不同尺度范上海交通大学硕士学位论文 3 围组织的能力以及相对低的费用，它可能是最重要的一种纳米制备技术7。 1.3 纳米电子器件到分子电子器件的过度 Moore 定律提出以后，曾有相当一部分人认为下一代的器件是分子电子器件，其理论基础是
