Fe在離子液體中的納米電化學-從表面納米結構的沉積、構建到量子電導研究.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)等眾多領域具有重要的應用,而磁性金屬量子點接觸中的電子輸運行為更在新型自旋電子器件中具有極為重要的理論研究價值。電化學方法具有電位調控性強、成本低、操作簡便等許多獨特的優(yōu)勢,已被廣泛應用于各種納米材料和功能結構的制備和研究。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方法對磁性金屬的可控制備及在納電子學方面的應用。室溫離子液體具有較寬的電

2、化學窗口、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溶劑為磁性金屬的電化學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]作為電化學溶劑,在對商品化STM實驗平臺進行功能拓展的基礎上,利用電化學研究手段開展了對磁性金屬鐵的納米薄膜、納米團簇以及納米量子點接觸等納米結構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的特殊金屬電沉積機制,還在原有納

3、米構筑技術的基礎上發(fā)展了一種普適性更廣的金屬量子點接觸研究方法,并成功地實現(xiàn)了對Pd、Fe等具有復雜電子結構的金屬量子接觸的構建及其電導測量。研究內容涉及電化學、微磁學、納電子學以及自旋電子學等多個學科的交叉,以及相應的實驗方法的完善和發(fā)展,具有很強的學科交叉特性和研究方法學上的意義。論文主要研究內容和結果如下:
　　 1.對Fe在[BMIm][BF4]離子液體中的電沉積行為進行了深入研究,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構,并且通過對比Fe在Pt(hk1)電極表面的沉積行為驗證了基底表面晶型對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的磁性金屬沉積機制。
　　 2.在[BMIm][BF4]離子液體中成功地實現(xiàn)了Fe在Au(hk1)表面的STM針尖“Jump-to-contact”誘導表面納米構筑,獲得由直徑在3～6nm,高約0.3～1.0nm的Fe納米團

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

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

7、Fe的單原子電導臺階長度的統(tǒng)計分析發(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)同質機械裂結法獲得的單原子電導臺階長度;結合納米團簇的單晶性質,揭示了一種尚未見報道的新型金屬量子點接觸構型演變機制。
　　 4.成功地在Agilent MI STM儀器上建立了用于電沉積和量子輸運研究的磁場調控平臺,并對該裝置的運行情況進行了初步評估;其現(xiàn)有的橫向磁場強度可達～2000 Gs,縱向磁場高度可達～2400 G