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功能纳米结构的组装和物性调控

减小字体 增大字体 作者:不详  来源:www.bob123.com  发布时间:最新发布
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  摘.要功能纳米结构的组装与物性调控是纳米电子器件前沿基础研究领域的重要问题.本文对我们实验室在纳米自组装结构和物性调控方面的主要研究进展进行介绍.对扫描隧道显微镜(STM)的成像机制和针尖功能化问题进行了研究和探讨.选用不同的策略和方法来实现功能分子在金属单晶基底上的可控自组装,形成各种自组装有序结构,通过磁性分子吸附构型的改变来实现对金属表面上单分子自旋态的量子调控.
  关键词功能分子纳米结构,扫描隧道显微镜,自组装,功能调控
  
  Self\|assembly and Modulation of the Physical Properties of Functional Nanostructures
  GUO Hai\|MingWANG Ye\|LiangDU Shi\|XuanSHI Dong\|XiaSHEN Cheng\|MinGAOHong\|Jun
  (Nanoscale Physics and Devices Laboratory, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
  AbstractFunctional nanostructures are the basic units of future molecular electronics devices. One of the key problems in nanoelectronics is to control effectively their self\|assembling structures and then realize quantum modulation.In this paper we give a brief introduction to our recent progress in this research field over the last few years. Various strategies have been applied to control the self\|assembly of molecular architectures on well\|defined metal single\|crystal surfaces. In addition, it is feasible to control the local spin coupling and the competition between different tunneling channels in the molecular Kondo effect by changing the molecular adsorption configuration. Thus modulation of the local spin states of one single magnetic molecule on the metal surface can be realized.
  Keywordsfunctional nanostructures, scanning tunneling microscopy,self\|assembly, quantum modulation
  
  1.引言
  
  现代微电子器件一直朝着集成化和微型化的方向发展,沿着“自上而下”方向发展的微电子器件必将遇到其尺寸上的物理极限,这是由于在纳米尺度上将会产生显著的量子效应和统计涨落效应等,另外也会受到工艺和成本方面的限制.用具有特定功能的纳米体系来组装制备纳米尺度电子器件是未来电子器件发展的重要方向.对功能纳米体系的组装与结构进行控制,进而实现对其量子效应的功能调控,是构建纳米电子器件的基本思路.研究功能分子在金属表面的吸附特性和自组装行为,理解和分析在此过程中分子-分子、以及分子-基底之间的相互作用,也有利于解决未来分子纳米电子器件中重要而复杂的分子与金属电极之间的界面问题.另外,在单分子尺度上对功能分子单元进行观察、操纵和特性测量,认识和掌握其各种物理和电学特性,并最终实现对其结构和性能的精确调控也是纳米电子学前沿领域的一个核心问题.
  我们实验室近年来一直围绕纳米(包括分子)电子材料及器件这一国家重大基础研究领域,对纳米电子信息功能新材料及其新原理进行研究和探索,并开展纳米电子器件方面的应用基础研究.在20世纪90年代,我们开展了对硅表面的原子操纵及机理的研究,首次实现了沿表面特定晶格方向的单原子有序移植,另外在基于功能分子薄膜的超高密度信息存储领域也开展了一系列有特色的工作.本文将简要介绍近几年来我们在功能分子纳米体系的组装和物性调控方面的一些研究工作进展情况.我们针对以上分子纳米电子学的基本问题,利用扫描隧道显微镜(STM)技术和分子自组装技术,研究低维纳米分子结构的自组装生长过程和结构,并希望能够实现对其自组装结构和性能的调控.
  
  
  2.STM成像机制和针尖功能化
  
  扫描隧道显微镜(STM)是纳米科技领域研究的重要工具,在对分子低维纳米体系的观察和表征中起着重要的作用.它不仅具有极高的空间分辨率和原位的实空间探测能力,以及对单个原子/分子的操控能力,还可以用于测量表面的局域电子结构等信息.对其成像机制的深入研究有利于我们更有效地认识和理解STM图像,还有可能通过有目的地对针尖进行修饰,从而观察得到更为丰富的信息.许多年来人们在对Si(111)- 7×7表面成像过程中,获得的图像一般只显示出每个元胞中的6个Adatoms(增原子),而一直未能同时分辨出12个Rest Atoms(剩余原子).Adatoms的悬挂键态位于费米面(EF)以下0.4eV附近.而Rest Atoms对应的悬挂键态位于EF以下0.8eV附近,通常STM图像给出一种“失真”的图像,即只能观察到Adatoms,却观察不到Rest Atoms,这种观测能力的不足使人们认为STM测量到的半导体表面的隧穿电流绝大部分来自处于EF附近的电子态.我们从实验和理论上分别研究了针尖状态对STM成像的影响,第一性原理方法计算结果表明,针尖末端尺寸对Rest Atoms和Adatoms的同时分辨具有重要影响.我们也通过控制针尖曲率半径得到了国际上目前为止最高分辨率的Si(111)- 7×7表面STM图像(图1),清晰地观察到了该表面上所有的Adatoms 和Rest Atoms [1].
  
  
  在此基础上,我们又进一步研究了特定针尖状态对STM成像的可能贡献.在研究二萘嵌苯(perylene)分子在Ag(110)上的吸附性质时,发现被perylene分子修饰的STM针尖可以很容易地将吸附在银基底上的perylene的电子态与银基底的电子态分开.随着针尖和样品之间偏压和隧道电流的逐渐变化,针尖分子的电子能级与样品电子能级之间的匹配程度也逐渐发生变化.在偏压为-0.67V时,样品的部分银原子表现为和分子一样的凸起,分子就如同镶嵌在银基底中.在偏压为-1.5V时,针尖上的分子能级与样品上的分子能级不匹配,此时的STM图像表征的是被样品上的分子所改变的银表面电子态.因此STM针尖上吸附perylene分子使针尖功能化后可以得到高分辨的银表面态的图像,理论上得出了与实验结果相吻合的STM模拟图像[2].我们通过对STM针尖状态实行人为控制,以表征过去用常规方法无法得到的表面电子态结构.这项工作大大加深了人们对STM成像机制的理解和对固体表面电子结构的认识.
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