STM研究有机薄膜台阶失稳的动力学过程

在原子尺度上理解台阶演化的动力学过程，并精确控制外延薄膜的形貌，一直是表面科学的一个挑战性课题，无论是在基础研究还是在器件应用方面都具有重要意义。在邻位面（vicinal surface）上，理想的薄膜生长方式为台阶流动模式，但台阶流动会发生失稳，引起台阶的弯曲或聚束(bunching)。尽管台阶聚束会使薄膜变得粗糙，但它可以作为一维纳米线的生长模板，在纳米制造领域具有广泛的应用前景。目前关于台阶失稳的研究仅局限于无机薄膜材料，而关于有机薄膜的台阶失稳尚未报道。本项目旨在理解和掌握有机薄膜台阶失稳的特点和规律；利用扫描隧道显微镜实时、原位观察有机薄膜台阶失稳的动力学过程，在分子尺度上揭示台阶聚束和台阶弯曲的微观机制；在此基础上通过调节动力学生长参量实现台阶失稳的可控性：既能抑制台阶聚束的发生以得到光滑的薄膜；也能实现台阶聚束的可控生长并使其自组织有序排列，从而制备出一维纳米线的有机模板。

在原子尺度上研究有机薄膜生长的动力学过程，揭示外延薄膜生长的微观机制，探索薄膜形貌演化、台阶运动、和应力释放的一般规律，一直是表面科学的一个挑战性课题，无论是在基础研究方面，还是在器件应用方面都具有重要的指导意义。目前，关于薄膜台阶失稳和应力释放的研究多集中在原子薄膜领域，而关于有机分子薄膜的研究则很少。在本项目中，我们利用有机分子束沉积技术和超高真空扫描隧道显微镜设备，系统研究了两种最具代表性的有机半导体分子（并五苯和红荧烯）薄膜的生长规律，如薄膜台阶失稳，形貌演化，和应力释放的动力学过程，在分子尺度上揭示了有机薄膜台阶捆绑和应力释放的微观机制；发现了分子手性和薄膜结构之间的关联效应。（i）观察到了红荧烯薄膜台阶捆绑的动态形成过程，发现了一个扩散通道，为制备一维纳米线的生长模板提供了实验基础。（ii）实现了红荧烯晶态薄膜在半金属表面的层状外延生长，解决了过去红荧烯薄膜均为非晶态无序结构进而无法制备晶态红荧烯薄膜器件的难题。（iii）首次在实验中观察到质量密度波（MDW），证实了过去理论预言的一种新的薄膜应力释放机制。（iv）发现了分子手性引起的结构相变，从同手性二维自组装到异手性的六分子团簇。（v）在衬底台阶附近制备出非手性的并五苯分子的风车团簇，确定了点手性和组织手性的关系。