极性金属氧化物超薄膜的表面构造与稳定特性研究

金属氧化物薄膜的晶格取向研究在多相催化、化学传感器、磁存储等基础应用领域有着极其重要的科学意义。沿特定晶向阴、阳离子层交替排列而形成的极性薄膜(如ZnO(0001))具有表面自由能大和化学活性强的特性，但因存在大的电偶极矩而在结构上具有"极性不稳定性"，严重影响到薄膜表面的物理化学性能。本项目拟系统研究极性氧化物超薄膜(小于10纳米)的表面构造及其结构稳定性：首先，基于分子动力学模拟分析不稳定的极性表面自发演化(表面自由能变小)的动力学过程和物理机制；然后，利用分子束外延成膜技术探索出既能有效抑制小面、缺陷和重构产生，又能保持极性薄膜稳定的制备方法。在此基础上，探索几种金属原子和气体小分子在极性表面的吸附特征，并借助扫描开尔文探针技术探测表面/界面电子功函数随吸附层种类和厚度的变化规律，揭示出极性表面的稳定机制。这些研究将为利用极性表面的特性设计和开发新材料提供有价值的基础实验数据。

金属氧化物超薄膜因在多相催化、化学传感器、太阳能电池、半导体器件和磁存储等领域的应用前景而引起了科学家们的广泛关注。与氧化物薄膜的非极性面相比，在某些特定方向上阴、阳离子层的交替排列可产生极性表面。因极性表面具有较大的表面能，在物理和化学上都有一些奇异性质，无论是从基础研究还是从应用角度来说都具有重要意义。本项目主要研究了金属氧化物薄膜（氧化锌、氧化铁、氧化镍等）极性表面的形成机理及其结构稳定性。在超高真空和大气环境下比较探索了这几种薄膜的生长条件和形成机理，基本上探索出了既能有效抑制小面、缺陷和重构产生，又能保持极性薄膜稳定的制备方法。在此基础上，探索了贵金属（金、银）原子和水分子在薄膜表面的吸附特征，并借助扫描开尔文探针技术探测了表面/界面电子功函数随吸附层种类和微纳结构参量的变化规律。这些研究结果为利用极性表面的特性设计和开发新材料提供了有价值的基础实验数据和理论依据。根据这些研究结果，撰写了13篇学术论文发表在国际SCI学术刊物上，并申请了3项国家发明专利。