HOPG表面上乙醇分子形成的自组装分子马达

【摘要】纳米材料是近几十年来科学研究的一大热点。纳米材料是指由极细晶粒组成、特征维度尺寸在纳米量级(1～100nm)的固体材料。由于这种材料的尺度处于原子簇和宏观物体的交接区域,故而具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,并具有奇异的力学、电学、磁学、光学、热学和化学等特性。随着科技的发展,纳米线、纳米管以及纳米薄膜等材料相继问世,并在实际运用中表现出无可替代的卓越性质。当前,人们对纳米材料的研究和期待更显炙热,分子马达也随之诞生。扫描隧道显微镜是一种先进的表面分析设备,它不但可以提供原子分辨的表面形貌图像,而且能够反应出实空间中纳米材料的电子结构。扫描隧道显微镜中的超高真空系统,能够使材料样品所属空间达到10-10mbar甚至更好的真空度,可以减少周围环境中的各种微观粒子(例如电子、离子、光子、原子和分子等)的干扰,在超高真空环境中,单位体积内的分子数不及正常气压中的1/1012,这对于纳米材料的研究和制备都是非常理想的条件。低温装置对于STM而言,不仅减小了STM及样品的热运动,而且降低甚至消除了外界环境的噪音干扰,提高了扫描隧道电流谱的分辨能力,同时也为各种可控操作得以实现提供了保障,例如原子或分子的操纵、针尖诱导的化学反应等。因此,利用STM研究纳米材料具有很多得优点。本文利用STM针尖沉积方法和超高真空低温扫描隧道显微镜(UHV-STM),在高定向裂解石墨(HOPG)表面制备并研究氢键联接的乙醇分子链。分子链固定在高定向裂解石墨衬底表面,而不是把它植入到液态或固体内部,其优点是可以充分利用维度效应,在衬底上方的半个空间内很方便地操控分子。通过STM针尖在分子链的一端施加脉冲电压,致使分子羟基上的H原子脱附,留下的O离子会与衬底的C结合,形成稳定的转动中心。脱氢后的乙醇分子链围绕着脱氢位置转动,形成大尺寸的自组装分子马达。当分子链一端脱掉两个氢原子,则分子链的转动会受到阻碍,形成小转角的扇形结构。进一步研究发现,乙醇分子链的转动机制是热运动和电子的非弹性隧穿两种机制的联合作用。若单有分子的热运动,分子马达的转速应该是匀速转动,因为HOPG衬底具有6重对称性,分子马达基本是各向同性的,而当针尖与分子马达距离较近或当遂穿电流过大时,出现了非匀速转动,说明分子马达的转动速度受到遂穿电子的影响,实验证明：针尖在距离分子链较近的位置上,分子链转速较快,在距离分子链较远的位置转速较慢；而在液氦温度下,我们没HOPG表面没有发现乙醇分子链的转动迹象,这为分子马达的热运动机制提供了充分的证据。
【作者】唐滔良；
【导师】王俊忠；
【作者基本信息】西南大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】乙醇分子链；分子马达；氢键；脱氢；扫描隧道显微镜；HOPG；

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