Fe在離子液體中的納米電化學(xué)-從表面納米結(jié)構(gòu)的沉積、構(gòu)建到量子電導(dǎo)研究.pdf

1、納米尺度的鐵基磁性金屬材料在軍事、生物、醫(yī)藥、環(huán)境以及電子工業(yè)等眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用,而磁性金屬量子點(diǎn)接觸中的電子輸運(yùn)行為更在新型自旋電子器件中具有極為重要的理論研究?jī)r(jià)值。電化學(xué)方法具有電位調(diào)控性強(qiáng)、成本低、操作簡(jiǎn)便等許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),已被廣泛應(yīng)用于各種納米材料和功能結(jié)構(gòu)的制備和研究。然而,一些活潑金屬體系在水溶液中的電沉積受到析氫過程的巨大干擾,極大地限制了電化學(xué)方法對(duì)磁性金屬的可控制備及在納電子學(xué)方面的應(yīng)用。室溫離子液體具有較寬的電

2、化學(xué)窗口、低揮發(fā)性等優(yōu)良特性,而且適合原位STM表征,因此以離子液體為電化學(xué)溶劑為磁性金屬的電化學(xué)沉積和研究提供了新的方案。
　　 本論文引入室溫離子液體[BMIm][BF4]作為電化學(xué)溶劑,在對(duì)商品化STM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行功能拓展的基礎(chǔ)上,利用電化學(xué)研究手段開展了對(duì)磁性金屬鐵的納米薄膜、納米團(tuán)簇以及納米量子點(diǎn)接觸等納米結(jié)構(gòu)的制備和原位表征研究。論文工作不僅拓展了金屬電沉積研究體系,揭示了一種磁性相關(guān)的特殊金屬電沉積機(jī)制,還在原有納

3、米構(gòu)筑技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種普適性更廣的金屬量子點(diǎn)接觸研究方法,并成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)Pd、Fe等具有復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)的金屬量子接觸的構(gòu)建及其電導(dǎo)測(cè)量。研究?jī)?nèi)容涉及電化學(xué)、微磁學(xué)、納電子學(xué)以及自旋電子學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉,以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法的完善和發(fā)展,具有很強(qiáng)的學(xué)科交叉特性和研究方法學(xué)上的意義。論文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　 1.對(duì)Fe在[BMIm][BF4]離子液體中的電沉積行為進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)其在Au(111)和Au(100)

4、電極表面分別形成了偽棒狀和偽方環(huán)狀的形狀自有序沉積結(jié)構(gòu),并且通過對(duì)比Fe在Pt(hk1)電極表面的沉積行為驗(yàn)證了基底表面晶型對(duì)Fe特殊形狀自有序電沉積行為的決定性作用,最后提出并闡明了一種以靜磁耦合作用為主導(dǎo)的磁性金屬沉積機(jī)制。
　　 2.在[BMIm][BF4]離子液體中成功地實(shí)現(xiàn)了Fe在Au(hk1)表面的STM針尖“Jump-to-contact”誘導(dǎo)表面納米構(gòu)筑,獲得由直徑在3～6nm,高約0.3～1.0nm的Fe納米團(tuán)

5、簇所構(gòu)成的各種納米陣列圖案,Fe納米團(tuán)簇的尺寸可在一定范圍內(nèi)通過改變Z方向脈沖高度而得到控制;這些Fe納米團(tuán)簇可在平衡電位以正達(dá)0.3 V電位區(qū)間保持穩(wěn)定。通過對(duì)不同單晶表面上構(gòu)筑的Fe納米團(tuán)簇隨后的電沉積生長(zhǎng)行為的跟蹤對(duì)比,第一次從實(shí)驗(yàn)上證明了在單晶基底表面利用STM針尖“Jump-to-contact”誘導(dǎo)構(gòu)筑方法產(chǎn)生的金屬納米團(tuán)簇可自發(fā)形成與基底晶面匹配的單晶原子排布結(jié)構(gòu),且這一結(jié)論得到了GCMC分子動(dòng)力學(xué)模擬研究的理論支持。

6、r>　　 3.發(fā)展了基于“jump-to-contacf’機(jī)制的電化學(xué)STM裂結(jié)(STM-BJ)方法,拓展了常規(guī)STM-BJ構(gòu)建和測(cè)量金屬量子點(diǎn)接觸的的普適性,大大改善了金屬(尤其是因電子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜而不易形成線性單原子鏈的體系)量子點(diǎn)接觸測(cè)量過程中的一致性和可控性,并成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fe、Cu和Pd三個(gè)具有代表性的金屬量子點(diǎn)接觸研究體系的測(cè)量,得到的單原子接觸電導(dǎo)值分別為0.86 G0、1G0和0.9G0(G0=2e2/h)。對(duì)Cu和

7、Fe的單原子電導(dǎo)臺(tái)階長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),在～0.075 nm的整數(shù)倍位置出現(xiàn)明顯的分布,該數(shù)值明顯小于傳統(tǒng)同質(zhì)機(jī)械裂結(jié)法獲得的單原子電導(dǎo)臺(tái)階長(zhǎng)度;結(jié)合納米團(tuán)簇的單晶性質(zhì),揭示了一種尚未見報(bào)道的新型金屬量子點(diǎn)接觸構(gòu)型演變機(jī)制。
　　 4.成功地在Agilent MI STM儀器上建立了用于電沉積和量子輸運(yùn)研究的磁場(chǎng)調(diào)控平臺(tái),并對(duì)該裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行了初步評(píng)估;其現(xiàn)有的橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)～2000 Gs,縱向磁場(chǎng)高度可達(dá)～2400 G