论文部分内容阅读
金属基底上的功能性有机分子体系是一类在基础理论研究方面具有非常重要意义的体系,同时也具有广泛的应用前景。不同于单独的分子体系,金属基底同分子间的相互作用以及基底对于分子-分子间的相互作用的调制,使得分子-金属体系体现出一些独特的物理现象,例如基底调制的自组装、电场调控下的扩散、分子马达、磁性分子的近藤(Kondo)效应等等。对于这些现象的深入研究,有助于我们对于分子-金属复合体系微观尺度下物理本质的理解和进一步探索制造纳米尺度的实用分子器件的可能途径。
本文主要介绍了利用扫描隧道显微镜(STM)技术在超高真空环境下对于金属Au(111)表面上酞菁(Phthalocyanine/Pc)类有机分子体系特性的研究。主要包括以下几个方面:(t-Bu)4-ZnPc分子在Au(111)表面分子转子的形成和组装,FePc分子在Au(111)表面上的扩散行为,FePc与FePcCl分子在Au(111)下的分子近藤效应。在这些实验中,我们总结出了一些具有普遍意义的实验方法和理论模型,包括利用时间分辨的隧穿电流谱(ITS)研究分子的动态行为,以及利用费米能级附近的导电通道解释近藤峰和近藤谷的形成。
分子马达(Molecular motor)是一个非常吸引人的课题,但是在这方面的研究主要面临两个大的困难,一个是对于纳米尺度旋转分子动态过程的精确表征和模型构建,另一个是如何大规模制备并且将这样的功能单元同其他功能单元集成在一起。我们通过对Au(111)表面上(t-Bu)4-ZnPc分子在Au的ad-atom上形成的转子进行研究,利用STM形貌像、ITS的实验数据并结合第一性原理计算,给出了这一转子体系的微观构型和能量分布；通过摸索条件,我们成功在表面上制备了大面积的转子阵列。这部分工作为将来进一步研究分子马达提供了基础和新的思路。
分子马达的运动主要是分子绕转动轴进行的转动,但是对于一般意义下的分子表面动态体系,运动方式包含分子的转动和在平面内的平动两种。对于分子动态体系的研究,目前在实验上的实现比较困难,一般采用快速扫描和分子跟踪(Tracking)两种方法。我们提出,可以利用时间分辨隧穿电流谱,通过统计来获得分子运动的精确信息。我们的结果经过第一性原理计算的验证,表明能够较好地给出分子运动中的亚稳态构型和能量信息,更进一步的研究可能有助于对于分子在不同态间跃迁的几率研究,从而对于分子表面动态体系给出一个系统完整的描述。
1964年Jun Kondo利用s-d交换作用成功解释了稀磁金属中的低温电阻异常效应,此后Kondo效应作为典型的强关联多体体系,引起了广泛的关注。自从1998年Crommie组和Schneider组分别利用STM研究贵金属表面磁性金属原子的Kondo效应以来,STM逐渐成为研究Kondo效应微观机制的主要工具。Kondo效应在扫描隧道谱(STS)上主要体现为两种不同的形态:Kondo峰和Kondo谷,一般的体系只会表现出其中之一；而酞菁铁在.Au(111)表面随吸附构型的不同,两种形态都可以得到。针对这一现象,我们利用酞菁氯铁进行补充实验,并提出了利用费米能级附近导电通道来定性解释这一现象的物理机制。