本文關鍵詞：金屬表面吸附磁性單分子的低溫掃描隧道顯微學研究

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【摘要】：在微電子產業(yè)中,基于硅材料的金屬-氧化物-半導體場效應晶體管的小型化就要在不久的將來達到最終的極限了。分子電子學被認為是電子器件進一步小型化最有希望的研究領域之一,它的主要目標是使用單個分子作為有源電子元件來構建電子電路。由于潛在的技術應用價值,分子電子學已經成為了基礎科學研究的熱點領域。它使我們有可能在單分子尺度上研究電路中由量子力學主導的電子輸運機制。另外,分子所具有的小尺寸以及各種各樣的電學、磁學、光學以及力學性質可以產生許多新奇的量子效應。這里,我們利用超高真空低溫掃描隧道顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM)研究了磁性單分子在金屬表面的吸附行為和電子性質。在第一章中,主要介紹了分子電子學的概況。首先引出了納米電子學的概念,然后詳細描述了分子電子學研究領域的發(fā)展過程以及取得的最新進展,接著講述了我們所使用的STM及其在分子電子學和磁性自旋探測方面的應用,最后簡單總述了本論文中所開展的研究工作。在第二章中,我們使用低溫STM研究了吸附在Au(111)表面的三種稀土雙層酞菁REPc2分子(RE= Tb, Dy and Y; Pc= phthalocyanine)的自組裝行為和電子輸運性質。首先,我們描述了REPc2分子在Au(111)上的吸附行為,分析了具有各種組裝手性結構的分子島,并提出了與其對應的吸附模型。其次,我們在STM設備上展示了不需要增加額外的柵電極就能實現(xiàn)具有柵壓調控功能的單分子輸運研究。這里Au(111)表面重構和分子間相互作用為REPc2分子提供的靜電勢可以充當等效柵壓來調控STM隧穿結中REPc2分子的能級。通過分析REPc2分子的dI/dV譜,我們觀測到了低偏壓下分子電導的強烈抑制現(xiàn)象,而且這種抑制效應并不會隨著分子所受到的局域靜電勢的改變而消除。這使我們可以毫不含糊地確認：在STM單分子輸運中首次觀測到了Franck-Condon阻塞。此外我們通過求解基于Anderson-Holstein模型的速率方程,進一步從理論上解釋了這里出現(xiàn)的低偏壓下電導抑制現(xiàn)象是由該體系的電子輸運中存在的強電聲耦合作用引起的。值得注意的是,相比于傳統(tǒng)的基于金屬電極斷裂技術制作的三端納米器件在觀測Franck-Condon阻塞效應時較差的可重復性,在我們的STM輸運中可以在Au(111)表面的每一個REPc2分子島中觀測到該效應,這表明利用STM隧穿結研究單分子的電子輸運性質具有較高的可重復性。在第三章中,我們對吸附在Au(111)和Cu(111)表面的三種REPc2分子進行了非彈性電子隧穿譜(IETS)和非彈性電子隧穿成像(IETM)研究。在Au(111)表面的REPc2分子上,我們觀測到了五個明顯的振動模(30meV、52meV、77meV、96meV和136meV),其中30meV、52meV和77meV對應的振動模具有非常大的電導增加率(△σ/σ50%)。我們對這些振動模進行了STM-IETM表征,得到了具有較高空間分辨的d2I/dV2圖像。此外我們通過第一性原理計算得到的IETS和IETM模擬結果能夠與這些實驗結果很好地吻合。在Cu(111)表面的REPc2分子上,我們只能觀測到54meV和78meV這兩個振動模(它們分別與Au(111)上的52meV和77meV振動模是同一個振動模式),相應的電導增加率只有10%左右,并且與這兩個振動模對應的d2I/dV2圖像具有較差的空間分辨結構。同一個振動模的電導增加率和d2I/dV2圖像在REPc2-Au(111)體系和REPc2-Cu(111)體系中的差異可以歸因于REPc2-Au(111)體系中存在的分子軌道調制效應：當分子軌道能級被調節(jié)到和振動態(tài)能級處于近共振區(qū)時,會導致共振增強的振動激發(fā),從而使上述振動模能量處的電導增加率得到了較大的提高。因此REPc2-Au(111)體系中振動模的d2I/dV2圖像也就具有了較高的空間分辨率。但是在REPc2-Cu(111)體系中缺乏這種由分子軌道調制效應引起的振動增強激發(fā),再加上Cu襯底對分子的強烈雜化作用,從而導致振動模只有10%左右的電導增加率,與其對應的d2I/dV2圖像的分辨率較差。在第四章中,我們展示了使用低溫掃描隧道顯微鏡原位構建具有分子內自旋耦合的磁性單分子。吸附在Au(111)表面的單個picene分子(縮寫為Pc)可以通過STM操縱來一個接一個地容納單個Co原子,從而形成人造的磁性分子CoxPc (x=1,2,3),其中磁性是由Co原子引入的。不同于先前文獻中報道的人造磁性分子,CoxPc結構及其磁性質在STM操縱中都具有很高的穩(wěn)定性。通過監(jiān)控每個Co原子位置處Kondo效應的演化,我們發(fā)現(xiàn)CoxPc分子的磁性質可以通過改變摻雜Co原子的數目來調控。在CoPc和Co2Pc分子中觀測到的Kondo共振具有完全相同的特征,表明Co2Pc分子中的兩個磁性Co原子中心之間的自旋耦合作用是微不足道的。但是Co3Pc分子的dI/dV譜費米能級附近顯示了一個寬的共振特征,該特征可以被分解為一個Kondo共振和位于其兩側的電導肩膀,這預示著Co3Pc分子中的Co原子之間存在著強的自旋耦合作用,我們的基于密度泛函的理論計算也證實了這一點。這一發(fā)現(xiàn)表明可以在表面上可控地人工構建具有分子內自旋耦合的磁性單分子。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH742
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本文編號：1175958