氧化还原活性分子Fc-OPV Dithiol的单分子电导研究及Cu-Pd合金量子电导测量

摘要

用单个分子或金属原子线来构建分子或纳电子器件是纳米技术领域的终极目标之一。为了达到这一目标，科研工作者必须能够测量、控制并懂得电子在单个分子和金属原子线中的传输，从而选择合适的分子与金属设计出最合理的器件构架。影响单分子结及金属原子线电子传输的因素众多，如：金属电极材料、分子自身结构、金属与分子之间的接触构型和能级耦合及周围环境等。由于化学惰性、容易制备和易与一些功能分子结合等因素，目前的金属-分子-金属结构架中，金属电极基本上为金电极，对非金分子结的研究还相当有限，因此，很有必要丰富构建分子结的金属电极材料；而作为金属电极材料重要的微观性质之一，金属本身的电导量子化现象首先引起了人们的广泛兴趣。理论与实验结合，许多金属的量子化电导都已被研究，但是，作为构建分子结的金属电极的可能材料之一，合金量子电导的研究工作却远远不够。随着纳米微加工技术的日趋完善，扫描探针仪器功能的不断开发以及有机合成技术的不断成熟，构建出想要的分子结及测量相应的单分子结电导已经不再是主要难题。近几年来，对分子/纳电路中的电子传输过程的调控成为了研究的热点，主要内容就是通过电化学调控研究电极电位的改变对氧化还原分子电导的影响；但此类研究还十分有限，一些电化学调控单分子电导的机理尚待进一步探讨。 本论文针对分子电子学和纳电子学的研究现状和问题，利用所在研究组搭建的STM-BJ测量平台，主要研究单分子结电导的电化学调控；同时，发展所在研究组所提出的金属原子线及其电导测量的新方法，使STM-BJ技术更具普适性，并能应用于合金原子线的电导测量。主要研究内容和结论如下： 1、研究了电位控制下具有氧化还原活性的二茂铁化合物单分子电导，发现其单分子电导值并不随电极电位而改变。我们认为在整个实验电势范围内，分子导电能级相对于金属费米能级始终远离共振态，所以我们并未观察到分子电导随电极电位而改变。同时，我们还观察到了随机的单分子电导涨落，认为是由于分子本身构象的改变所引起的。最后，通过Lewis理论关系式，根据我们实验测量的电导结果估算了分子结内的电子传递速率常数，并发现我们的金属-分子桥-金属针尖(MBT)体系内的电子传递速率常数与电化学方法研究由相似分子构成的金属-分子桥-电子受体(MBA)体系得到的电子传递速率常数属同一个数量级。 2、应用基于jump-to-contact机制的电化学STM-BJ方法，在Pd(111)单晶上构筑了Cu纳米阵列，比较测量了Cu、Pd及Cu-Pd合金的量子点接触电导，得到Cu-Pd合金的量子点接触电导为1G0，认为1G0电导值事实上是来自于Cu-Cu点接触的贡献，当量子点接触中有Pd原子参与时，Pd原子较低的sp轨道态密度成为了Cu原子电子通道的瓶颈，因而不产生量子化电导；通过改变构筑时施加的脉冲的大小，调节构筑的纳米团簇的大小和高度以改变合金纳米团簇中Cu、Pd含量的比例及Cu-Cu量子点接触出现的概率；随着Cu-Cu量子点接触所占比例的增加，测量得到的合金量子电导值不变，但统计峰高度改变，这也进一步证明了前面认为1G0电导值来自于Cu-Cu点接触的推论。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

§1.1金属及合金原子线的量子化电导

§1.1.1金属电导量子化

§1.1.2合金量子电导研究

§1.1.3金属及合金量子电导的研究方法

§1.2金属-分子-金属结

§1.2.1分子结的构建及电导测量

§1.2.2分子结电子传递的影响因素

§1.2.3分子结电子传递的场效应调控

§1.3分子电子学中的电子传递机理

§1.3.1超交换机理

§1.3.2分步传输机理

§1.4本论文的研究目的、设想和内容

参考文献

第二章实验

§2.1电化学实验

§2.2 STM及电导测量实验

§2.2.1扫描隧道显微镜(STM)

§2.2.2电化学扫描隧道显微镜(ECSTM)

§2.2.3量子电导测量

§2.3试验试剂

参考文献

第三章氧化还原型分子二茂铁化合物(FcC)的单分子电导及电化学影响

§3.1 FcC在Au(111)上的自组装研究

§3.1.1 Au(111)在纯Fc-OPV dithiol溶液中的自组装

§3.1.2 Au(111)在Fc-OPV dithiol+Pentanethiol溶液中的混合自组装

§3.2 FcC的电导测量

§3.2.1 Fc-OPV dithiol的单分子电导

§3.2.2随机的电导涨落

§3.2.3关于Fc-OPV dithiol分子的导电机理讨论

§3.2.4电子传递速率常数的估算

§3.3本章小结

参考文献

第四章Cu-Pd合金原子线的构建及其量子电导研究

§4.1 Cu和Pd的量子电导

§4.1.1 Cu的量子电导

§4.1.2 Pd的量子电导

§4.2 Cu-Pd合金量子电导测量

§4.2.1 Cu在Pd(111)上的电沉积

§4.2.2 Cu在Pd(111)上的构筑及量子电导测量

§4.3本章小结

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢