摘要: 金属或者氧化物薄膜表面上的点缺陷,包括吸附原子、团簇、空位等,及其对表面电子性质及反应活性的修饰,在信息、超导、异相催化等领域中发挥着重要的作用,使其成为近年来研究的焦点,是当今表面科学研究的基础课题之一。本论文的研究工作就是围绕金属和... 展开 金属或者氧化物薄膜表面上的点缺陷,包括吸附原子、团簇、空位等,及其对表面电子性质及反应活性的修饰,在信息、超导、异相催化等领域中发挥着重要的作用,使其成为近年来研究的焦点,是当今表面科学研究的基础课题之一。本论文的研究工作就是围绕金属和氧化物薄膜表面上的点缺陷展开的,利用不同的实验方法对多种表面点缺陷进行系统研究。主要内容包括:利用扫描隧道显微镜(STM)和扫描隧道谱(STS)研究了Pb表面Pb单原子的电子态；利用电子自旋共振(ESR)研究Mo金属单晶上MgO薄膜表面的Li原子；利用电子自旋共振与反射式红外吸收谱(IRAS)相结合研究MgO表面色心(F心)的电子性质以及其上O-离子的生成和性质。 扫描隧道显微镜(STM)具有很高的实空间分辨率,成为研究表面吸附单原子的重要方法。我们利用低温扫描隧道显微镜系统,在Pb(111)表面上制备了大量Pb单原子,并测量了Pb单原子电子态sp3杂化轨道的能量分辨谱图。我们发现Pb单原子局域电子态密度来源于未占据态的空间不均匀性。密度泛函(DFT)理论计算证实了Pb原子拥有正四面体状的sp3杂化轨道。在负偏压区域,为成键态,只有一个伸向真空的轨道可以被探测到,表现出一个中心亮点；在正偏压区域,为反键态,可以观测到非对称的明暗区域结构,而且在空间上会随偏压的变化发生随机转动。 Li掺杂的MgO是研究中最简单的甲烷氧化耦联催化剂之一,然而相对于反应机理而言,对其反应活性中心的理解依然不足。我们对在Mo基底上生长的MgO薄膜上的Li原子进行了ESR研究,得到了MgO上Li单原子吸附位置、吸附构型、g张量以及超精细耦合常量。结合第一性原理计算,得到MgO/Mo上Li单原子的电子态结构。通过对各向同性超精细耦合常量的分析,我们认为其数值上的减少并不意味着电子转移,而是由于Li原子未配对电子态波函数的极化,Li原子本身仍然是中性的。这种强的极化效果来源于Li原子在MgO表面上相当强的吸附作用。这些结果有助于我们对Li/MgO催化剂反应活性中心的进一步认识。 MgO表面的F心和O-离子也是可能的反应活性中心,因此有必要对这两种点缺陷也进行多方位的研究。我们将CO分子作为探测分子,利用IRAS研究了电子束轰击后的MgO薄膜表面生成的F心的电子态性质。实验中观测到的两个吸附CO分子的红外峰可以归结为CO分别吸附在含有一个电子的Fs+心和含有两个电子的Fs0心上。然后,利用IRAS研究了N2O气体与不含F心的MgO薄膜表面的相互作用,得到了N2O分子在MgO表面不同吸附位置上的红外吸收峰；通过与温度程控脱附(TPD)实验相对比,将不同的红外吸收峰对应于不同的热脱附峰,并且得到了不同吸附位置上吸附N2O分子的吸附能。最后,利用ESR观测到了N2O气体与MgO表面Fs+心接触后产生的O-离子,对其电子性质和反应特性进行了研究。 通过本文不同实验方法对多种表面点缺陷电子态的研究,可以加深对金属和氧化物表面点缺陷电子结构的理解,为以后的各种反应实验、器件构造乃至实际催化剂的理解和改进都有着积极的推动作用。 收起