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纳米科学和纳米技术有望再一次引发科技革命,从而改变我们的生活方式。由于微/纳米电子器件通常都是集成在表面上,因此,在表面调节和控制功能器件的排列对新一代电子器件的发展至关重要。尽管有许多微/纳米加工方法存在,人们普遍认为,通过“自下而上”的自组装方法在未来将是在纳米尺度有效调节和控制功能组分排列的方法之一。自组装是指分子自发组装形成具有一定功能的超分子集合体。在自组装过程中,分子通过非共价键相互作用,进行识别组装。在过去几十年间自组装过程的研究主要集中在溶液和晶体中。在二维表/界面进行的自组装过程并没有被充分的研究、理解和应用。由于扫描隧道显微镜的发明,人们能够在二维表面观察分子的排列,进而推动了二维分子自组装的研究。对二维表面自组装的研究历经由简单的单分子体系到复杂的多分子体系,由对自组装现象的观察到自组装规律的探寻。本论文正是利用扫描隧道显微镜对表面多组分分子自组装规律及调控进行研究。
本文第一部分工作(第三章)用STM考察了二维主客体分子在辛苯,辛醇,十四烷和1,2,4-三氯苯溶剂中的溶剂效应。首先利用三聚茚衍生物分子在高定向裂解石墨(HOPG)表面自组装,形成二维蜂窝状网格结构。发现蔻能够填入网格形成主客体分子结构。在研究中发现,主客体分子在不同的溶剂中有不同的自组装结构。在不同的溶剂中,主客体分子自组装的速度和结果各不相同。在辛苯和辛醇中,主客体分子自组装速度比较慢,而且组装结构有部分缺陷,而在十四烷中自组装过程非常迅速,形成的自组装结构基本没有缺陷。研究发现溶剂与客体分子的相互作用是导致溶剂效应的主要原因。研究表明,在表面主客体组装过程中溶剂起到了重要的作用,这为通过简单的调整溶剂的环境来控制自组装结构提供了一个可行的方法。
第二部分(第四章)在固-液界面通过自组装方法构筑了三聚茚衍生物-铜酞菁(TrO23-CuPe)二元、三聚茚衍生物-铜酞菁-四苯基卟啉(TrO23-CuPc-TTP)三元分子纳米结构。通过STM观察,TrO23与CuPc可以形成两种自组装结构,一种是伪六边形结构,另一种是线形结构。调节CuPc分子在溶液中的浓度可以对自组装结构进行调控,在较高浓度下可以获得线形结构,在低浓度下可以获得伪六边形结构,而在中等浓度下两种结构共存。而且用STS测量了自组装分子的电子学性质。在 TrO23-CuPc-TTP三元自组装体系中,三种分子在HOPG表面可以形成两种手性的自组装结构,而且通过调换 TTP分子中心的金属原子对自组装结构没有影响。
第三部分(第五章)利用一系列苯三酸分子衍生物和三聚茚分子衍生物(TrO23)在HOPG表面构筑了一系列稳定的二维分子网格。STM研究表明,网格结构具有三次对称结构,网格孔洞的大小可以通过调节苯三酸分子衍生物烷基链的长短来进行调节。苯三酸分子和 TRO23之间的氢键相互作用协同烷基链之间的范德华力是构筑稳定网格结构的关键因素。我们利用构筑的网格成功的组装了不同种类和不同数量的客体分子。
在最后一部分(第六章)利用三聚茚衍生物(TrO23),苯三氧十一酸(TCDB)和铜酞菁(CuPc)分子在HOPG表面构筑了多级花状的自组装结构。通过研究各个结构的组成和构型,总结了各个花状自组装结构之间的规律以及变化趋势。结合STM试验,研究了各种花状结构与实验条件之间的关系。实验结果表明,各种花状结构与各组分的浓度具有一定的关联。通过调节各个组分的浓度,可以有选择性的通过自组装获得需要的花状结构。