二维平面上混合自组装单层有序微相的结构调控和性质研究

To design and direct the self-assembly of functional nanostructures and align them into extended networks are of utmost significance and values for both fundamental science and practical applications in many fields. In the present project, we propose to assemble microphase networks of mixed self-assembled monolayers (MSAMs) with controlled morphology, long-range order, and preferred physical and chemical properties by varying the molecular types and their functional groups, chain length, chain length difference, mixing ratio, as well as the substrate and the annealing temperature. Utilizing a variety of methods including scanning tunneling microscopy, atomic force microscopy, temperature programmed desorption, X-ray photoelectron spectroscopy, Infrared spectroscopy and Raman spectroscopy, in particular the high-resolution structural characterization and in situ chemical analysis under ultra-high vacuum conditions, systematic investigations of different MSAM systems will be performed. Combining experimental studies with theoretical calculations, this work is also aimed on in-depth understanding of the formation and phase transformation mechanisms of MSAMs as well as the structure-property correlation.

在二维平面上设计和可控组装纳米尺度功能性结构、调控其性能并将其排列为长程有序的宏观网络体系，具有重要的科学理论意义和实际应用价值。本项目拟采用含巯基分子的混合自组装单层，通过改变混合配体的类型、终端官能团、配比、链长和链长差、金属基底、后处理温度等相关因素，使用气相沉积与液相组装方法，精确控制贵金属表面配体组份，在分子水平上控制混合自组装单层的平衡态结构，实现类嵌段共聚物薄膜的规则微相及微相的长程有序排列，进而调节其局域导电性、电荷分布、亲疏水性、化学反应活性等物化性质和功能。同时，通过多种实验测试方法，尤其是分子尺度上高分辨的结构表征和在位化学分析，结合理论计算，深入理解混合分子自组装单层微相结构的形成机理，阐释吸附在规则的二维金属格子上各结构相的基本属性和相变规律，揭示其性质与结构之间的关系，进而优化和设计表面性质和功能，为其在纳米器件方面的实际应用奠定基础。

在二维表面上精确可控地组装纳米尺度结构、调控其性能并促进其在纳米光学、纳米传感、光催化以及生物纳米功能材料等领域的应用具有重要的科学意义和实际应用价值。本项目采用具有不同链长和终端官能团的多种含巯基分子，研究了不同分子配比、不同分子链长、衬底类型、后处理温度等实验参数下贵金属表面形成的混合自组装单层有序微相的结构调控和性质研究，借助多种实验测试方法并结合理论计算，揭示了混合分子自组装单层微相结构的形成机理，实现了表面电荷分布、亲疏水性、化学反应活性等物化性质和功能的调制，并研究了曲面上表面自组装单层有序微相的结构调控、性质研究和相关机理，进而研究了所组装的材料在光学、催化、生物医药等领域的应用。.本项目研究进展顺利，依照本项目的研究方案和经费预算，达成了研究目标和预期研究成果，取得了多项重要研究进展，并在人才培养和学术交流中有所收获。基于项目研究成果，目前已经在Journal of the American Chemical Society和Angewandte Chemie International Edition等高水平期刊发表SCI论文12篇，论文他引合计102次，获授权国家发明专利3项，在第三十四届欧洲表面科学会议（ECOSS-34）上做会议邀请报告和口头报告各1次; 已培养2名博士研究生获得博士学位，6名硕士研究生获得硕士学位，正在培养博士研究生7名和硕士研究生2名，其中3名博士研究生预期于2019年毕业。依托于该项目研究，课题组与丹麦、英国、加拿大、法国等多个海外知名高校以及国内多所高水平高校和研究所建立了紧密的科研合作关系。