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氟表面活性剂FSN在金单晶表面自组装的电化学和扫描隧道显微术研究

汤永安  
【摘要】: 固体表面有机分子的自组装是改变固体表面性质的有效方法,通过设计和选择组装分子,可以改善固体表面的各种性质,如润湿性、黏附性以及润滑性等。近年来,组装分子和固体表面之间的相互作用已经得到了广泛的研究,并且取得了很多重要的进展。然而,自组装膜自身的一些性质,如物理吸附自组装膜的不稳定,化学吸附自组装膜的缺陷结构,很大程度上影响着自组装膜的应用。 基于自组装重要的应用背景和基础研究的需要,人们越来越关注相关研究。为了深入理解组装分子之间的相关作用和分子与基底之间的相关作用对组装结构的影响,新组装体系无疑将起着重要作用。 非离子型氟表面活性剂具有很好的化学稳定性、热稳定性、以及高表面活性。本论文选择非离子型氟表面活性剂FSN作为组装分子,利用扫描隧道显微术对其在Au(111)和Au(100)表面形成的自组装膜结构进行研究,着重从膜的结构特点以及形成相关结构的原因展开讨论,并与硫醇自组装膜进行了比较,同时还利用原子力显微镜和接触角测量等手段进一步认识该自组装膜的结构,并对其电化学行为进行了研究,具体研究内容和结果如下: 1、利用STM研究了FSN分子在Au(111)表面形成的自组装膜的微观结构。利用AFM、接触角测量和XPS进一步表征了FSN自组装膜的结构,包括膜的厚度,分子吸附方式等。研究结果表明,FSN分子以(√3×√3)R30°的结构在Au(111)表面形成大畴尺寸,少缺陷,高稳定性的自组装膜。FSN自组装膜中不存在硫醇自组装膜中常见的几种缺陷,而且,FSN自组装膜具有很好的稳定性,在空气中保存一个月,仍具有与新鲜制备的样品完全相同的结构。这种基本无缺陷存在并且化学稳定性优良的自组装膜为自组装膜的应用提供了一种好的选择。AFM、接触角和XPS实验表明FSN分子以亲水端向内,疏水端向外的方式吸附在Au(111)表面。而且,自组装膜的厚度信息表明,FSN在Au(111)表面以竖直的方式吸附。FSN分子碳氟链的刚性在形成自组装膜的过程中起着重要作用。FSN分子与基底之间合适的作用力大小以及这一作用力导致的表面Au和FSN分子的流动性是形成高度有序的FSN自组装膜的决定因素。 2、以Au(100)作为基底,研究氟表面活性剂FSN在Au(100)表面形成的自组装膜的结构,探讨不同晶面的金基底对于FSN自组装膜的影响,并讨论了Au原子的流动性对自组装膜结构的影响。研究结果表明,FSN以(?)的结构在Au(100)表面形成与基底结构匹配的自组装膜。由于在[0(?)1]方向FSN分子间距离较近,分子间的排斥力对膜结构的稳定性不利,在畴边界的分子会偏离正常的吸附位,从而在表面形成褶皱结构。在自组装过程中,Au(100)表面重构会移去,由于Au原子在FSN分子的作用下具有很好的流动性,因此重构移去产生的Au原子会并入台阶边缘,从而在大范围内形成平整并且没有Au岛存在的自组装膜。与FSN属于同一系列的表面活性剂,但链长较短的FSO分子能在Au(100)表面形成与FSN结构相似的自组装膜。由于短链使分子间的作用力减弱,因此FSO自组装膜的褶皱结构处会出现有规律的分子缺失,并且更易于形成褶皱结构。AFM实验和接触角测量表明FSN分子以亲水端吸附在Au(100)表面并形成单层膜。 3、利用ECSTM和电化学技术研究Au(111)和Au(100)表面FSN自组装膜的结构和电化学行为。主要结论如下:在双电层区,FSN自组装膜的结构和空气中一样,以(√3×√3)R30°的结构吸附在Au(111)电极表面,大范围的ECSTM图像呈现出平整的表面。FSN在-0.3V发生还原并脱附;在1.2V发生氧化并脱附,FSN的吸附导致Au(111)电极的氧化电位正移。在Au(100)电极表面, FSN自组装膜在双电层区较负电位处发生相变。表面积累的负电荷弥补了FSN分子间的排斥作用,FSN倾向于以更为紧密的方式吸附在Au(100)表面,从而使FSN调节在Au(100)电极表面的吸附位置,导致褶皱结构消失,FSN自组装膜结构更加均一。Au(100)表面FSN自组装膜在-0.35V电位下还原, 1.2V电位下氧化,并导致Au(100)电极表面的氧化电位正移。


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