表面吸附体系非弹性电子隧穿谱的研究

摘要

电子谱是研究分子结构和物质化学组成的重要手段，自从1966年Jaklevic和Lambe在实验过程中对通过“金属-氧化物-金属”组成的系统施加偏压时首次观测到非弹性电子隧穿谱（IETS），它就一直受到广泛的关注。而非弹性电子隧穿谱基于其极高的灵敏度以及不受选择性定则限制的特点已经成为表面科学研究中不可或缺的技术手段，是揭示表面吸附系统的吸附构型和电子结构等特性有力的工具。 本文构建了CO@Ag（100）以及CO@Cu（100）这两种吸附体系，以密度泛函理论（ Density functional theory 简称DFT）为基础，通过第一性原理计算，分别对CO@Ag（100）体系以及CO@Cu（100）体系中完美吸附模式和表面存在缺陷时的吸附模式进行了IETS计算，研究了吸附过程中非弹性电子隧穿对吸附物质CO分子振动模式的激发作用，揭示了非弹性电子隧穿的本质。本文的创新之处在对不同金属吸附CO分子的体系进行IETS计算，并且对Cu（100）吸附CO分子的完美表面和点缺陷表面对比。本文的研究结果为研究表面吸附体系的谱学特征有重要的意义。 文章的第一章节简易叙述了文章工作的研究背景、研究目的和意义以及国内外的研究状况；第二章主要讲述了以DFT为基础的计算方法的以及基本原理；第三章主要研究了扫描隧道显微镜和非弹性电子隧穿谱结合技术，并且对CO@Ag(100)体系进行了IETS计算和分析；第四章则分别计算了CO@Cu（100）体系中完美吸附模式和表面存在缺陷时的吸附模式的IETS并进行对比；本文的终结第五章是对所有研究工作的一个总体概括还有对以后工作情况的展望。 根基对表面吸附结构非弹性电子隧穿谱的探究，我们得到了两个结论：（1）当CO吸附于Cu(100)表面时，非弹性电子隧穿激发了CO的振动，产生四种振动模式，即：C-O伸缩振动，CO-Cu的伸缩振动以及O-C-Cu的两个简并弯曲振动。当Cu(100)表面吸附位点的正下方存在缺陷时，非弹性电子隧穿依然会激发CO的振动，但是只产生C-O伸缩振动模式，这对研究表面吸附体系的非弹性隧穿过程有一定的指导意义。（2）完美吸附体系中，非弹性电子隧穿激发C-O伸缩振动的能量为250meV。表面存在缺陷时，非弹性电子隧穿激发C-O伸缩振动能量为247meV。说明CO吸附的Cu(100)表面如果存在缺陷，C-O键更容易断裂，该吸附对C-O键起到了削弱的作用，这在研究CO的活化中有一定的应用价值。

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Abstract

第1章 导论

1.1 选题的背景及研究意义

1.1.1 问题产生的背景

1.1.2 本选题的目的

1.1.3 研究价值和意义

1.2 国内外的相关研究进展

1.2.1 国外的相关研究进展

1.2.2 国内的相关研究进展

1.3 本文的内容结构及方法思路

1.3.1 本文侧重研究的内容

1.3.2 整体结构及框架

1.3.3 主要方法和思路

研究的相关理论基础及方法

2.1 基于波函数的电子结构计算方法

2.1.1 非相对论近似

2.1.2 玻恩--奥本海默近似

2.1.3 单电子近似

2.2 密度泛函理论

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理

2.2.2 Kohn-Sham方程

2.2.3 交换相关泛函

2.2.3.1 局域密度近似（LDA）

2.2.3.2 广义梯度近似（GGA）

2.2.3.3 杂化密度泛函

2.3 本文采用的计算工具及方法

2.3.1 Materials Studio、VASP、VESTA、origin软件的功能

2.3.2 计算技术条件及可靠性

2.4 本章小结

Ag（100）表面非弹性电子隧穿谱的研究

3.1 非弹性电子隧穿

3.1.1 量子隧穿原理

3.1.2 非弹性电子隧穿谱的相关性质

3.1.3 非弹性电子隧穿谱的特点

3.2 扫描隧道显微镜与非弹性电子隧穿谱的结合

3.2.1 扫描隧道显微镜的原理

3.2.2 扫描隧道显微镜的工作模式及应用

3.2.3 STM-IETS技术

3.3 CO@Ag（100）体系的IETS计算

3.3.1 计算方法和计算模型

3.3.2 振动能量计算和IETS图像

3.3.3 计算结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 利用 IETS 对CO@Cu（100）体系的研究

4.1 CO@Cu（100）体系的IETS

4.1.1 计算方法与理论模型

4.1.2 计算结果与实验的对比

4.1.3 结果分析与讨论

4.2 CO@Cu（100）缺陷体系的IETS

4.2.1 计算方法与理论模型

4.2.2 态密度与IETS计算

4.2.3结果分析与讨论

4.3 CO@Cu（100）完美和缺陷体系的对比

4.3.1 吸附模型及振动模式的比较

4.3.2 IETS图像对比

4.3.3 结果分析与讨论

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1 研究成果总结

5.1.1 研究情况总结

5.1.2 主要成果与结论

5.2 主要创新点和研究意义

5.2.1 本研究的主要创新点

5.2.2 研究的意义

5.3 今后的研究和展望

5.3.1 今后的研究方向

5.3.2 研究展望

致谢

参考文献