氟表面活性劑FSN在金單晶表面自組裝的電化學和掃描隧道顯微術研究.pdf

1、固體表面有機分子的自組裝是改變固體表面性質的有效方法，通過設計和選擇組裝分子，可以改善固體表面的各種性質，如潤濕性、黏附性以及潤滑性等。近年來，組裝分子和固體表面之間的相互作用已經得到了廣泛的研究，并且取得了很多重要的進展。然而，自組裝膜自身的一些性質，如物理吸附自組裝膜的不穩(wěn)定，化學吸附自組裝膜的缺陷結構，很大程度上影響著自組裝膜的應用。 基于自組裝重要的應用背景和基礎研究的需要，人們越來越關注相關研究。為了深入理解組裝分子之

2、間的相關作用和分子與基底之間的相關作用對組裝結構的影響，新組裝體系無疑將起著重要作用。 非離子型氟表面活性劑具有很好的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、以及高表面活性。本論文選擇非離子型氟表面活性劑FSN作為組裝分子，利用掃描隧道顯微術對其在Au(111)和Au(100)表面形成的自組裝膜結構進行研究，著重從膜的結構特點以及形成相關結構的原因展開討論，并與硫醇自組裝膜進行了比較，同時還利用原子力顯微鏡和接觸角測量等手段進一步認識該自組裝膜的

3、結構，并對其電化學行為進行了研究，具體研究內容和結果如下： 1、利用STM研究了FSN分子在Au(111)表面形成的自組裝膜的微觀結構。利用AFM、接觸角測量和XPS進一步表征了FSN自組裝膜的結構，包括膜的厚度，分子吸附方式等。研究結果表明，F(xiàn)SN分子以(√3×√3)R30°的結構在Au(111)表面形成大疇尺寸，少缺陷，高穩(wěn)定性的自組裝膜。FSN自組裝膜中不存在硫醇自組裝膜中常見的幾種缺陷，而且，F(xiàn)SN自組裝膜具有很好的穩(wěn)定

4、性，在空氣中保存一個月，仍具有與新鮮制備的樣品完全相同的結構。這種基本無缺陷存在并且化學穩(wěn)定性優(yōu)良的自組裝膜為自組裝膜的應用提供了一種好的選擇。AFM、接觸角和XPS實驗表明FSN分子以親水端向內，疏水端向外的方式吸附在Au(111)表面。而且，自組裝膜的厚度信息表明，F(xiàn)SN在Au(111)表面以豎直的方式吸附。FSN分子碳氟鏈的剛性在形成自組裝膜的過程中起著重要作用。FSN分子與基底之間合適的作用力大小以及這一作用力導致的表面Au和F

5、SN分子的流動性是形成高度有序的FSN自組裝膜的決定因素。 2、以Au(100)作為基底，研究氟表面活性劑FSN在Au(100)表面形成的自組裝膜的結構，探討不同晶面的金基底對于FSN自組裝膜的影響，并討論了Au原子的流動性對自組裝膜結構的影響。研究結果表明，F(xiàn)SN以()的結構在Au，(100)表面形成與基底結構匹配的自組裝膜。由于在[011]方向FSN分子間距離較近，分子間的排斥力對膜結構的穩(wěn)定性不利，在疇邊界的分子會偏離正常

6、的吸附位，從而在表面形成褶皺結構。在自組裝過程中，Au(100)表面重構會移去，由于Au原子在FSN分子的作用下具有很好的流動性，因此重構移去產生的Au原子會并入臺階邊緣，從而在大范圍內形成平整并且沒有Au島存在的自組裝膜。與FSN屬于同一系列的表面活性劑，但鏈長較短的FSO分子能在Au(100)表面形成與FSN結構相似的自組裝膜。由于短鏈使分子間的作用力減弱，因此FSO自組裝膜的褶皺結構處會出現(xiàn)有規(guī)律的分子缺失，并且更易于形成褶皺結構

7、。AFM實驗和接觸角測量表明FSN分子以親水端吸附在Au(100)表面并形成單層膜。 3、利用ECSTM和電化學技術研究Au(111)和Au(100)表面FSN自組裝膜的結構和電化學行為。主要結論如下：在雙電層區(qū)，F(xiàn)SN自組裝膜的結構和空氣中一樣，以(√3x√3)R30°的結構吸附在Au(111)電極表面，大范圍的ECSTM圖像呈現(xiàn)出平整的表面。FSN在-0.3V發(fā)生還原并脫附；在1.2V發(fā)生氧化并脫附，F(xiàn)SN的吸附導致Au(1