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水是人们生活中最熟悉、赖以生存的物质之一,近年来,界面水的研究成为表面物理和纳米材料领域的研究热点。该研究涉及到众多领域。特别是STM问世之后,其超高的空间分辨能力使人们对水的研究进入分子和原子时代,我们可以借助STM观察到水分子在固体表面的形貌、吸附行为、动态扩散过程、分子轨道等等,使我们对水分子的结构有了更深层面的认识,有助于制备各种水的纳米团簇。虽然STM可以对分子或原子进行高分辨成像,但却不易对水分子成像,且在成像过程易受STM针尖的扰动。如果针尖在扫描过程中吸附水分子,可能会打开新的隧穿通道,影响隧穿电流的大小,从而影响水分子成像。该研究进一步揭示了STM的成像机理,加深了人们对固体表面电子结构的认识。本文利用低温扫描隧道显微镜(STM)研究了水分子在半金属Bi(111)表面的吸附和自组装。当沉积速率比较低时,水分子主要以单体和二聚体的形式吸附在衬底表面。高分辨STM图表明,水单体平躺在衬底表面且占据on-top位。水二聚体表现为平行于衬底晶轴方向的两个亮点。当沉积速率比较高时,水分子自组装为单分散的六聚体阵列。每个六聚体表现为由3个亮点组成的三角形,其3个边分别平行于衬底晶轴方向。进一步分析表明,六聚体的3个亮点来自处于高位的3个水分子,一个H原子指向衬底上方,另一个H原子用于分子间氢键。处于低位的另外3个水分子,两个H原子参与分子间的氢键作用,因而在STM图中不易被观察到。水六聚体是比较稳定的吸附位型,在使用高束流前提下进一步增加分子的覆盖度,可观察到彼此相连的六聚体,虽然它们靠得很近,但这些六聚体团簇的结构并没有被破坏。我们认为,在半金属Bi(111)表面上水分子的自组装是一个动力学控制的生长过程。该研究为制备水的纳米结构提供了新的路径。本文还研究了被修饰的针尖对吸附在Bi(111)表面的水分子及团簇在不同偏压下的成像机制。半金属的Bi(111)薄膜作为衬底,选用钨针尖,容易吸附水分子,可使针尖功能化,打开新的隧穿通道,从而使水分子的STM图像发生变化。实验发现在液氮(77K)或液氦(4.4K)温度下,水分子都可以使STM针尖功能化。不同的偏压下,Bi(111)表面吸附的水分子单体、二聚体、六聚体的STM图像均发生变化,有趣的是,当偏压恢复为原来的大小时,其STM图像也变为原来的形貌。我们认为,水分子能修饰针尖,使针尖功能化,从而在不同偏压下对分子轨道具有选择性成像。而在同一高偏压下,六聚体的STM图像会出现突起和凹陷的分界,在低偏压和负偏压下,全部表现为凹陷。因此,水分子使针尖功能化及偏压的变化是影响水分子及其团簇在Bi(111)表面成像的主要因素。由于水分子成像对实验条件的要求较高,且水分子的成像易受干扰,如何优化针尖、调整针尖与样品间的距离及偏压的大小,可以使我们能够利用STM观察到水分子及其团簇的分子轨道,进而加深人们对STM成像机理的认识及对物质表面电子结构更透彻的理解。