扫描隧道显微镜成像机制中若干问题的理论凝聚态物理专业论文.docxVIP

摘 摘 要 1982年扫描隧道显微镜(STM)的发明使人类第一次能够从实空间原子尺 度来观察和研究物质世界，至今为止STM已经在物理、化学等诸多领域取得了 巨大成功，不仅是一种较为成熟的微观结构探测工具，而且在纳米结构操纵、纳 米器件构造等新兴技术领域也显示出极大潜力。STM图像是STM所能得到的最 直接、最形象地与研究对象特性相关的数据形式，能获得材料费米面附近电子态 密度的空间局域分布信息，为各种STM实验所常用工作模式。f但由于STM系 统的复杂性，STM成像机制问题尚未得到完善解决，尽管已经有多种理论被发 展和应用于解释实验结果，多种内在和外在的因素，如所研究对象与衬底之间的 相互作用、STM针尖非理想成像情况 往 导致研究者对所研究对象特性的错误 个 子系统的哩王笙塑和作用，评估各种 图 像的形成过程是我们从STM图像获得正确信息的必要前提。 f作为新型纳米级功能材料的一种，自组装单分子层膜(SAMs)的各种功能 特性与其分子尺度结构紧密相关，但是由于其结构的复杂性，对有关SAMs的 STM实验图像的理解和成像机制还存在许多问题和争议，即使是对于典型的烷 烃硫醇SAMs。为了解决这个问题，在第二章我们对烷烃硫醇分子吸附在Au(111) 表面的吸附体系进行了基于第一性原理的密度泛函理论计算，分子的取向构型采 用Au(111)表面烷烃硫醇SAMs紧密堆晶格中的分子构型，以此来模拟烷烃硫醇 SAMs中单个分子的STM图像，模拟方法采用的是假设理想针尖的 Tersoff-Hamann方法，结合对吸附体系的电子结构分析，探讨了烷烃硫醇SAMs 的STM成像机制和成像过程中的各种问题。模拟结果显示图像细节反映了烷烃 硫醇分子的烃链顶端几个基团的信息，而且具有对偏压和链长的依赖性，特别是 在中等链长时表现出“奇偶效应”。进一步的分析显示烷烃硫醇分子在Au(111) 表面的化学吸附导致硫醇分子轨道和Au表面态之间的掺杂，从而在原来烷烃硫 醇分子的HOMO—LUMO能隙内产生了许多掺杂轨道，这些新能态使得STM对 烷烃硫醇SAMs的分子尺度分辨的STM成像成为可能。尽管这些掺杂轨道中与 Au成键的S的轨道成分大于烃链成分，但相对S来说烃链顶端更加接近STM针 尖，导致STM图像主要反映烃链顶端基团的信息。硫醇分子轨道与Au表面态 的掺杂也是STM模拟图像偏压依赖性的起源。s头群增强烃链轨道与Au表面态 之间的掺杂程度，更重要的是S头群在Au表面的吸附模式影响了掺杂态在烃链 顶端附近的LDOS分布，这是模拟图像中链长依赖性和所谓“奇偶效应”的起 、，源。我们的模拟结果较好地重复和解释了一些实验现象。尸 、， 源。我们的模拟结果较好地重复和解释了一些实验现象。尸 影响STM图像的一个重要因素是针尖非理想成像的电子态，近年来有关吸 附分子的针尖的STM成像实验已有报道，但其成像机制和特性并没有得到深入 研究和足够的重视。为了理论模拟和研究针尖吸附分子后造成的特殊电子态对图 像的影响，我们采用团簇模型通过Gaussian98软件计算针尖和样品各自的电子 结构，基于Bardeen微扰方法计算隧道电流，设计了一种较为简便易行和计算效 率较高的STM图像模拟方法。通过此方法，我们对两种已经被用于实际STM实 验的吸附分子针尖：吸附C60分子和CO分子的W针尖的STM成像特性进行了 研究。f当w针尖上吸附有CO分子后，CO分子的兀·简并轨道衍生的能态在化学 修饰针尖的前线轨道中占据优势，一般情况下这种针尖态造成STM图像的假相， 不利于成像观测；但是在某些情况下，特别是样品费米面附近也是磁量子数m≠ 0的电子态占优势时，其LDOS的分布并不与样品实际的原子结构一致，导致用 普通针尖无法得到样品的真实结构信息，而如果我们采用吸附有CO分子的针尖 成像方法，则有可能通过针尖上兀+键轨道衍生能态与样品态的作用，成像出样品 针尖实际的原子位置。通过此思路，我们对吸附在Ag(1lO)表面的02分子和 Cu(111)表面的CO分子两组STM实验结果提出了新的解释。当针尖上吸附有 C60分子后，C60分子的具有丰富特征的HOMO和LUM0态明显地影响着样品的 图像细节，这些轨道的取向对称性经常能反映在STM图像中，在一些极端情况 下甚至STM图像基本上由针尖上C60分子的结构和轨道信息决定；在C60分子的 多重简并HOMO和LuMO中，HOMO相对来说更接近理想s型波函数针尖， 使得吸附有C60的针尖对C60分子成像时，图像主要由C,o分子LUMO决定，偏 压条件则决定隧道激活轨道是样品C60的LUMO还是针尖C60的LUMO。 在第四章中我们对Si(111)√3×√3 R30。-Ag(√3．