在Cd(0001)基底上外延生长单原子层锗

利用超高真空低温扫描隧道显微镜(STM)技术和密度泛函理论(DFT)研究了锗(Ge)在Cd(0001)表面的薄膜生长行为和电子性质.研究发现室温下沉积在Cd(0001)表面上的Ge原子容易形成纳米尺度的团簇.当Cd衬底的温度降至100K左右,Ge原子形成单原子层厚的二维薄膜.高分辨的STM图表明Ge的单原子层具有1×1的赝晶结构.扫描隧道谱(STS)测量发现Ge的单原子层表现出金属性行为.DFT计算结果表明:Ge原子优先占据Cd(0001)衬底的六角密排空位,Ge与Cd(0001)衬底之间存在静电作用,Ge原子之间通过共价键相结合.

萘酞菁分子在Cd(0001)表面的自组装和手性特征

通过有机分子束沉积法和超高真空-低温扫描隧道显微镜研究了非手性的萘酞菁(H_(2)Pc)在Cd(0001)表面的手性特征和生长机理.研究发现:在极低的覆盖度下,每个分子都沿Cd(0001)衬底的晶向排列.随着分子的聚集,分子的叶瓣和衬底的晶向不是一致的,存在大约8°的偏差.在0.8 ML(定义1 ML为在第2层出现之前能够完全覆盖整个衬底表面的H_(2)Pc覆盖度)时,由于与衬底的不对称电荷转移,M型分子(定义M型分子叶瓣与衬底晶向成8°夹角)表现出明显的手性特征.随着覆盖率的进一步提高,H_(2)Pc分子的亚单层分子从平躺表面吸附转变为倾斜三角吸附,同时表现出不同的手性特征.在分子的第2层中,H_(2)Pc分子表现出倾斜的吸附.

低覆盖度下五螺烯分子在Cd(0001)表面的STM研究

利用超高真空-低温扫描隧道显微镜(STM)在Cd(0001)表面对低覆盖度下吸附的五螺烯分子([5]H,C_(30)H_(18))进行了研究。研究发现,在极低的覆盖度下,可以在Cd(0001)表面观察到少量单分子以及异手性范德瓦尔斯二聚体。继续沉积分子,先后出现大量由[5]H分子形成的团簇和二维岛,且团簇的形态随偏置电压变化而变化。

Si(111)-7×7表面上Cd(0001)薄膜的透明性:原子尺度下的界面成像

界面结构对外延薄膜的生长和控制起着非常重要的作用.但是在原子尺度上观察薄膜的界面结构一直是一个挑战性的课题.原因是入射波穿越薄膜时会发生强烈的衰减和退相干,使得检测的界面信号非常微弱.扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy,STM)的出现极大地促进了人们对薄膜界面结构方面的研究.早期的研究报道观察到了金属薄膜下的典型的Si(111)-7×7超结构.虽然7×7超结构清晰可见,但从中不能分辨出元胞中的12个Si原子,因此仍未实现原子尺度上的界面结构成像.本文在Si(111)-7×7表面上生长出高质量的Cd(0001)外延薄膜,并利用低温扫描隧道显微镜对Cd(0001)薄膜的界面结构实现了原子尺度成像.在较低的偏压下,清晰地观测到Si(111)-7×7结构的原子分辨像,这也说明了在Cd薄膜生长过程中,Si(111)-7×7的衬底结构得以完整保存.此外还发现,由于量子尺寸效应,偶数层薄膜和奇数层薄膜表现出明显不同的横向分辨率和表面粗糙度,而且这些性质的差异随扫描偏压的变化会发生逆转.把Cd(0001)薄膜的这种优异透明性归因于电子的垂直运动速度远大于面内运动速度,即电子具有高度各向异性的有效质量.

在Cd(0001)基底上制备单斜相的红荧烯薄膜

利用有机分子束沉积和超高真空-低温扫描隧道显微镜,研究了红荧烯在Cd(0001)表面上的自组装和薄膜生长过程.研究发现:在低覆盖度下单个红荧烯分子斜躺在基底表面,表现出3个不同亮度的突起,并出现了手性特征.随着覆盖度的增加,红荧烯形成自组装的单层结构,每个分子仍保持斜躺的姿态,但单个分子的形貌非常依赖偏压,在高偏压下表现出3个突起,在低偏压下表现出4个突起.之后,第二层的红荧烯发生了取向相变:分子由斜躺变为站立,且在第二层出现了两种不同的结构.第一种是链状分子结构,第二种是一个新的单斜相.特别是,此前曾有人利用第一原理计算预言了该单斜相的存在,但一直没有得到实验证实.此次研究成果可以为制备新型红荧烯发光器件提供新的选择和思路.

应力释放诱导的酞菁钴转子阵列

利用低温扫描隧道显微镜研究了酞菁钴(CoPc)分子在Cd(0001)表面上形成的自组装单层和转子阵列.在低温生长的酞菁钴分子单层中发现了应力诱导的3种空位结构:单分子空位、两分子空位和三分子空位.研究发现高温退火会导致结构相变:3种空位结构转变为均匀分布的单分子空位阵列.特别有趣的是,在每个单分子空位内部都存在一个酞菁钴转子.在液氮温度下(78 K),酞菁钴转子围绕着空位中心发生偏心转动;在液氦温度下(4.7 K),转子被冻结在空位的边缘上.