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物理学论文-扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用.doc

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物理学论文-扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用.doc

物理学论文-扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用摘要单分子科学是一门新兴的交叉科学,在当前的科技发展中具有重要意义.扫描隧道显微镜是研究单分子的一种强有力而独特的工具.文章以作者所在研究组近年来在单分子表征、操控和原型器件设计等方面的研究工作进展为例,概述了扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用,重点介绍了以下成果:在硫醇分子自组装单层膜上观测到C60分子的本征笼状结构,并发现了一种新颖的由C60分子取向产生的拓扑序;结合实验图像和理论模拟,确定了单个C60分子在Si(111)\|73)\|Ag表面,然后在Ag表面沉积亚单层的[email protected]分子.STM实验显示在同一偏压下[email protected]分子有着多种不同的图像,说明[email protected]分子在Ag表面有多种不同的吸附取向.STM图像中的每一个碳笼内部都有一个偏离中心的亮斑,该亮斑与金属和碳笼的杂化态有关,是金属和碳笼之间轨道杂化和电荷转移等复杂相互作用的证据.我们也发现,[email protected]分子的STM图像中表面条纹分布与偏压密切相关:负偏压下分子表面出现数条明亮而略微弯曲的条纹,源于富勒烯分子与衬底的相互作用;正偏压下分子表面出现一些五元环和六元环,与富勒烯分子的碳笼结构密切相关.我们还测量了不同偏压下[email protected]分子的dI/dV图像,多数情况下不是表现为全黑的空洞就是明亮的网状结构,只有在某些特定偏压下才能看到局域化的亮环或亮点.这些能量分辨的dI/dV图像揭示了在普通的STM图像中所看不到的电子结构的细节.结合密度泛函理论模拟,可以确定Dy原子在C82笼中的相对位置和[email protected]分子的取向.2.2磁性是物质最重要的物理性质之一,而单个原子和分子范畴的磁性尤其具有重要的意义,因为其中的磁性仅仅由单个或几个原子外层非常少的未配对电子自旋提供,因此本质上是量子力学的.研究原子分子体系的磁性,不仅可以更深入了解量子态杂质的物理性质,而且还将为未来的基于单个自旋的量子信息和自旋电子学应用提供基础.近年来,STM已经被成功应用于通过对特定化学键的激发实现单个分子的化学反应,即“单分子手术”,但利用单分子化学反应来实现和控制单个分子的特殊物理性质如磁性等却一直是未能实现的前沿难题.我们利用STM探针施加适当的电压脉冲,使吸附于Au(111)表面的钴酞菁(cobalt-phthalocyanine,CoPc)分子苯环上的周围8个氢原子发生局域化学反应(图3

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