电化学扫描隧道显微镜及其对有机半导体分子自组装与调控的研究

Molecular self-assembly and regulation is an important technology for the construction of surface nanoscale structures. The new advanced functional materials have controllable structure and specific functions, which can’t get from traditional experimental methods, such as the synthesis of artificial photosynthesis catalyst, the manufacture of nanometer and single molecular devices. Electrochemical scanning Tunneling microscope (ECSTM) has powerful function for surface characterization and regulation, so it’s the best tool for the research of molecular self-assembly and regulation. Through designing one new nanopositioner motor which is suitable for ECSTM, improving the structure design of electrolytic cell with three electrodes, and optimizing the manufacture and processing of scanning tips, we will build a high performance ECSTM system. With the home-built ECSTM system, we will carry out some research on molecular assembly and optical excitation regulation of organic semiconductor, through in-situ studying of the process of the molecular assembly, it will reveal the inherent law of molecular self-Assembly and regulation of organic semiconductor, and provide some guidance for the development of new advanced functional materials and nanoscale devices manufacturing.

表面分子的自组装与调控是构筑表面纳米结构的重要技术和方法，由结构可控、功能特异的分子自组装形成的纳米结构，可以提供传统技术不能获得的先进性功能材料，如应用于人工光合作用催化剂的合成，纳米器件和单分子器件的制造等领域。而具有强大表面表征和分子操纵能力的电化学扫描隧道显微镜（ECSTM）是进行表面分子组装和调控研究的最直接有效的工具。本项目将通过改进商业ECSTM中的纳米步进马达结构设计，改进三电极电解池结构设计和优化扫描探针的电化学腐蚀制作与绝缘保护方法，搭建一套性能优良的ECSTM系统，并利用其对有机半导体分子的自组装与光激发调控进行研究，通过光诱导有机半导体分子发生光化学反应，对分子自组装过程进行实时原位的观察和调控，揭示有机半导体分子自组装与调控的基本规律，为发展新型功能性纳米材料和制备新型纳米器件提供一定的理论指导。

研究表面分子的自组装行为，发展构筑和调控表面分子自组装结构的方法,进而研究表面分子的光学、电学等性质,是实现分子器件的重要前提。而精确控制表面分子组装和超分子结构,仍是分子科学研究和纳米科技领域亟待解决的重要问题。尽管表面分子自组装技术已经取得了很大进展, 但是关于有机半导体分子的聚集机理，以及如何设计构筑与调控新颖并具有特定功能的有机半导体分子结构和纳米材料，仍然是当前有机半导体和纳米科技领域的重大挑战之一。未来有机半导体分子器件和纳米器件的发展，将在很大程度上取决于对有机半导体分子分子聚集动力学过程及分子聚集过程外部调控机理等方面研究，更加强调结构的调控和控制以及功能的实现。而具有强大表面表征和分子操纵能力的电化学扫描隧道显微镜是进行表面分子组装和调控研究的最直接有效的工具。. 本项目在一款商业电化学扫描隧道显微镜的的基础上，通过对纳米步进马达结构进行优化设计，改进了三电极电解池结构设计和优化扫描探针的电化学腐蚀制作与绝缘保护方法，搭建完成了一套性能优良的电化学扫描隧道显微镜系统。在搭建的显微镜系统上对有机半导体分子的自组装与光激发调控进行了一系列研究，通过光诱导有机半导体分子发生光化学反应，对分子自组装过程进行实时原位的观察和调控，揭示有机半导体分子自组装与调控的基本规律，为发展新型功能性纳米材料和制备新型纳米器件提供一定的理论指导。