【摘 要】
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器件尺寸的不断小型化为功能薄膜制备和表征技术的发展提供了契机,制备形貌、结构可控的功能薄膜材料是器件研究中的关键步骤之一,因此探索高质量薄膜的生长条件成为研究热点。薄膜的性能与结构紧密相关,有必要对薄膜的结构或者分子排列方式进行深入研究。扫描隧道显微镜因其超高的空间分辨率,可用于观测不同生长条件下的薄膜形貌;利用其谱学技术还可以对薄膜的电子态性质进行研究,因此扫描隧道显微镜成为探索薄膜生长条件及表
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器件尺寸的不断小型化为功能薄膜制备和表征技术的发展提供了契机,制备形貌、结构可控的功能薄膜材料是器件研究中的关键步骤之一,因此探索高质量薄膜的生长条件成为研究热点。薄膜的性能与结构紧密相关,有必要对薄膜的结构或者分子排列方式进行深入研究。扫描隧道显微镜因其超高的空间分辨率,可用于观测不同生长条件下的薄膜形貌;利用其谱学技术还可以对薄膜的电子态性质进行研究,因此扫描隧道显微镜成为探索薄膜生长条件及表征薄膜性质强有力的研究手段。拓扑绝缘体是凝聚态物理领域快速发展的前沿热点之一,也是有着广泛应用前景的一类材料。三维拓扑绝缘体Sb2Te3,Bi2Te3等相对于其他拓扑绝缘体来说具有能带结构简单、体能隙比较大等众多优点,因而成为拓扑绝缘体材料性质研究领域的重要研究对象。但有关Sb2Te3,Bi2Te3薄膜,尤其是超薄膜的研究有限,主要原因在于拓扑绝缘体薄膜的质量难以控制,这些材料中存在大量本征缺陷和晶界,对薄膜质量产生显著影响,因此有必要进一步探索Sb2Te3,Bi2Te3超薄膜的生长条件,并对其结构及电子态性质进行表征。苯并咪唑类分子是一类重要的功能分子,其各类衍生物在生物、医药、发光及铁电领域都有广泛应用或者潜在应用。他们的薄膜特性在器件应用中至关重要,但目前只有非常少量的相关研究。为获得该类分子规则排列的功能薄膜,就需要对分子组装的机理进行研究,对决定分子排列方式的分子间相互作用和分子-衬底间相互作用进行研究。基于上述研究背景,我在硕士期间进行了以下研究:1.我们通过分子束外延的方法在SrTiO3（111）衬底上生长得到厚度为2QL的超薄Sb2Te3和Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜,并用STM对薄膜的结构和电子态性质进行表征。Sb2Te3和Bi2Te3薄膜中都存在晶界,晶界即为不同取向的畴区之间的交界。我们对Sb2Te3和Bi2Te3薄膜的晶界进行了对比研究。研究表明Bi2Te3薄膜中只存在小角度晶界（晶界两边畴区取向比较接近,其旋转角度＜20°）;而Sb2Te3薄膜中除小角度晶界外,还存在大角度晶界（晶界两侧的畴区取向差别大,旋转角度＞30°）。扫描隧道谱的研究结果表明,晶界处带隙中存在束缚态,小角度晶界中束缚态是局域分布的,而大角度晶界中的束缚态沿晶界离域分布,形成一维通道。2.选择带有不同官能团的苯并咪唑基分子（2-羟甲基苯并咪唑,HMBI和2-（2羟苯基）苯并咪唑,HPBI）作为模型分子体系,采用热蒸镀的方式在Au（111）衬底表面生长分子薄膜,探索高质量薄膜生长条件,并利用扫描隧道显微镜对分子薄膜的结构进行研究。通过不断摸索获得单层HMBI分子薄膜的生长条件,并分析了分子与衬底间相互作用以及分子间氢键共同作用下的分子排列方式。HMBI薄膜生长过程中,分子首先沿位错亮带形成分子链,随着表面分子量增加分子链扩展成规则排列的分子畴区,畴区边界处分子排列不规则。HMBI单层薄膜在加热条件下分子排列方式以及分子本身都会发生变化。部分HMBI分子中-OH上H原子在加热条件下脱离,脱氢后的HMBI分子可能与表面存在的自由移动的Au增原子结合,形成新的分子结构。通过对比研究,我们还发现不同于HMBI分子,HPBI单层膜上可以生长规则排列的第二层,且其第一层和第二层内分子的排列都不存在畴区边界,分子取向可以在规则排列的膜内调整。这表明连接羟基苯基的苯并咪唑分子HPBI相比连接羟甲基的苯并咪唑分子HMBI与衬底间的相互作用更弱,分子更容易规则排列形成高质量薄膜。
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