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納米尺度的外表化學在薄膜資料與外表工程中的使用

日期:2013-08-20 11:05:30 來源:www.078045.live 作者:優質論文網

 

論文導讀:然而,一些材料及其表面結構(如水或酸對金屬表面的腐蝕)需要在低真空、甚至常壓下研究。因而一些新近發展的表面分析技術如高壓 X–射線光電子能譜可被 采用。...

    因而弱的非鍵作用力和強的化學鍵作用都有可能形成具有新的結構與功能的材料與表面。它們是設計與合成新材料與器件的主要手段。而能否利用分子或原子在固體表面或弱或強的不同作用力來設計新材料與器件取決于是否能對這一材料制備過程中所涉及的表面化學以及所合成材料中的界面化學有分子或原子尺度上的認識。人們稱發生在通過分子組裝或分子在材料表面進行化學反應而形成材料的過程中所涉及的表面與界面化學為納米尺度的表面化學。雖然各種一維、二維、或三維納米材料的合成與應用涉及到各種分子與原子尺度的表面化學,但這些過程中所涉及的納米尺度的表面化學及其對材料合成與性能的影響并沒有得到應有的研究與關注。傳統的表面分析技術中入射的光束或電子束是在 1~10 μm 或更大的宏觀尺寸量級。這就決定了這些分析技術提供的信息是在宏觀尺寸上的平均信息。顯然傳統的表面分析技術不可能提供納米尺度的表面化學信息。為了在原子或分子尺度研究材料合成與性能中所涉及的表面與界面的結構與化學,納米尺度的表面分析技術必須被采用。納米尺度的表面分析技術包括各種能提供原子分辨率的掃描技術如掃描隧道顯微技術(STM) 和原子力顯微技術(AFM) 。傳統表面分析技術的另一特點是它們通常需要在高真空環境下工作。

    然而,一些材料及其表面結構(如水或酸對金屬表面的腐蝕)需要在低真空、甚至常壓下研究。因而一些新近發展的表面分析技術如高壓 X–射線光電子能譜可被 采用。文中將用有機分子在高取向石墨(HOPG)表面通過非鍵作用力的自組裝而形成有機薄膜、有機分子在金薄膜 Au(111)表面通過 Au–S 化學鍵的生成而形成有機薄膜,以及有機分子在半導體表面的定向化學吸附而形成有機薄膜為例說明研究納米尺度的表面化學對有機薄膜材料、各種固體表面的修飾與功能化的重要性。通過弱的非鍵作用力而形成的自組裝材料中的納米尺度表面化學分子自組裝研究是有機薄膜生長、面潤滑、表面防腐等領域重要的技術基礎。下面用有機分子在石墨表面的自組裝薄膜生長為例來說明納米尺度的表面化學對有機薄膜的制備過程與結構的重要性。是一個固體表面分子自組裝單層的簡單模型。多個分子的平行排列組成一排。相鄰的排的平行規整地延伸形成了有機自組裝單層薄膜。在自組裝薄膜中每一分子至少同時經歷了 3 種弱的非鍵力:同一排相鄰分子之間的作用力, 相鄰排的相鄰分子間的相互作用力,分子和基體的相互作用力。

    對分子的自組裝多層薄膜材料而言,分子還與上下相鄰兩層有機分子相互作用。因而在自組裝薄膜中分子的排布與結構取決于這 3 種弱的非鍵作用力之間的相互競爭與平衡。下面將用 3 個例子闡明納米尺度的弱的非鍵作用力對單個分子的構型、分子在有機薄膜中的排布結構、甚至對薄膜性能的影響。 是酯分子在石墨表面形成的自組裝薄膜的高分辨 STM 圖像。每一個藍色亮點代表一個氫原子, 顯然它是一個原子分辨的圖像。值得注意的是 STM 圖像表明酯分子自組裝后兩個烷基排布在一條直線上。圖 3 是這一分子自組裝后結構扭曲的一個直接證據。同樣的變直效應也在其它酯分子自組裝薄膜中觀察到。


 


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