氟表面活性劑FSN在金單晶表面自組裝的電化學(xué)和掃描隧道顯微術(shù)研究.pdf

1、固體表面有機(jī)分子的自組裝是改變固體表面性質(zhì)的有效方法，通過設(shè)計(jì)和選擇組裝分子，可以改善固體表面的各種性質(zhì)，如潤(rùn)濕性、黏附性以及潤(rùn)滑性等。近年來，組裝分子和固體表面之間的相互作用已經(jīng)得到了廣泛的研究，并且取得了很多重要的進(jìn)展。然而，自組裝膜自身的一些性質(zhì)，如物理吸附自組裝膜的不穩(wěn)定，化學(xué)吸附自組裝膜的缺陷結(jié)構(gòu)，很大程度上影響著自組裝膜的應(yīng)用。 基于自組裝重要的應(yīng)用背景和基礎(chǔ)研究的需要，人們?cè)絹碓疥P(guān)注相關(guān)研究。為了深入理解組裝分子之

2、間的相關(guān)作用和分子與基底之間的相關(guān)作用對(duì)組裝結(jié)構(gòu)的影響，新組裝體系無疑將起著重要作用。 非離子型氟表面活性劑具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、以及高表面活性。本論文選擇非離子型氟表面活性劑FSN作為組裝分子，利用掃描隧道顯微術(shù)對(duì)其在Au(111)和Au(100)表面形成的自組裝膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，著重從膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及形成相關(guān)結(jié)構(gòu)的原因展開討論，并與硫醇自組裝膜進(jìn)行了比較，同時(shí)還利用原子力顯微鏡和接觸角測(cè)量等手段進(jìn)一步認(rèn)識(shí)該自組裝膜的

3、結(jié)構(gòu)，并對(duì)其電化學(xué)行為進(jìn)行了研究，具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： 1、利用STM研究了FSN分子在Au(111)表面形成的自組裝膜的微觀結(jié)構(gòu)。利用AFM、接觸角測(cè)量和XPS進(jìn)一步表征了FSN自組裝膜的結(jié)構(gòu)，包括膜的厚度，分子吸附方式等。研究結(jié)果表明，F(xiàn)SN分子以(√3×√3)R30°的結(jié)構(gòu)在Au(111)表面形成大疇尺寸，少缺陷，高穩(wěn)定性的自組裝膜。FSN自組裝膜中不存在硫醇自組裝膜中常見的幾種缺陷，而且，F(xiàn)SN自組裝膜具有很好的穩(wěn)定

4、性，在空氣中保存一個(gè)月，仍具有與新鮮制備的樣品完全相同的結(jié)構(gòu)。這種基本無缺陷存在并且化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良的自組裝膜為自組裝膜的應(yīng)用提供了一種好的選擇。AFM、接觸角和XPS實(shí)驗(yàn)表明FSN分子以親水端向內(nèi)，疏水端向外的方式吸附在Au(111)表面。而且，自組裝膜的厚度信息表明，F(xiàn)SN在Au(111)表面以豎直的方式吸附。FSN分子碳氟鏈的剛性在形成自組裝膜的過程中起著重要作用。FSN分子與基底之間合適的作用力大小以及這一作用力導(dǎo)致的表面Au和F

5、SN分子的流動(dòng)性是形成高度有序的FSN自組裝膜的決定因素。 2、以Au(100)作為基底，研究氟表面活性劑FSN在Au(100)表面形成的自組裝膜的結(jié)構(gòu)，探討不同晶面的金基底對(duì)于FSN自組裝膜的影響，并討論了Au原子的流動(dòng)性對(duì)自組裝膜結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明，F(xiàn)SN以()的結(jié)構(gòu)在Au，(100)表面形成與基底結(jié)構(gòu)匹配的自組裝膜。由于在[011]方向FSN分子間距離較近，分子間的排斥力對(duì)膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不利，在疇邊界的分子會(huì)偏離正常

6、的吸附位，從而在表面形成褶皺結(jié)構(gòu)。在自組裝過程中，Au(100)表面重構(gòu)會(huì)移去，由于Au原子在FSN分子的作用下具有很好的流動(dòng)性，因此重構(gòu)移去產(chǎn)生的Au原子會(huì)并入臺(tái)階邊緣，從而在大范圍內(nèi)形成平整并且沒有Au島存在的自組裝膜。與FSN屬于同一系列的表面活性劑，但鏈長(zhǎng)較短的FSO分子能在Au(100)表面形成與FSN結(jié)構(gòu)相似的自組裝膜。由于短鏈?zhǔn)狗肿娱g的作用力減弱，因此FSO自組裝膜的褶皺結(jié)構(gòu)處會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律的分子缺失，并且更易于形成褶皺結(jié)構(gòu)

7、。AFM實(shí)驗(yàn)和接觸角測(cè)量表明FSN分子以親水端吸附在Au(100)表面并形成單層膜。 3、利用ECSTM和電化學(xué)技術(shù)研究Au(111)和Au(100)表面FSN自組裝膜的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)行為。主要結(jié)論如下：在雙電層區(qū)，F(xiàn)SN自組裝膜的結(jié)構(gòu)和空氣中一樣，以(√3x√3)R30°的結(jié)構(gòu)吸附在Au(111)電極表面，大范圍的ECSTM圖像呈現(xiàn)出平整的表面。FSN在-0.3V發(fā)生還原并脫附；在1.2V發(fā)生氧化并脫附，F(xiàn)SN的吸附導(dǎo)致Au(1