密密密级级级: 博博博士士士学学学位位位论论论文文文 新新新型型型石石石墨墨墨烯烯烯和和和FeTPP分分分子子子纳纳纳米米米结结结构构构的的的构构构筑筑筑与与与物物物性性性研研研 究究究 作作作者者者姓姓姓名名名: 陈陈陈辉辉辉 指指指导导导教教教师师师: 高高高鸿鸿鸿钧钧钧院院院士士士 中中中国国国科科科学学学院院院物物物理理理研研研究究究所所所 学学学位位位类类类别别别: 理理理学学学博博博士士士 学学学科科科专专专业业业: 凝凝凝聚聚聚态态态物物物理理理学学学 研研研究究究所所所: 中中中国国国科科科学学学院院院物物物理理理研研研究究究所所所 2017 年年年 11 月月月 Fabrication and Physical Properties of Novel Graphene and FeTPP Molecular Nanostructures By Hui Chen A Dissertation/Thesis Submitted to The University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Doctor of Institute of Physics Chinese Academy of Sciences November, 2017 摘摘摘 要要要 电子学器件的小型化是未来信息技术的基础。石墨烯纳米结构和有机分子被 认为是构建未来纳米尺度电子学器件理想的两种基本单元。石墨烯纳米结构，即 纳米尺度的低维sp2 碳原子结构，具有比单层石墨烯更优良的电子学特性，比如 引入能隙和碳原子磁性等，从而适用于未来纳米器件的设计与构筑。石墨烯纳米 结构的形状、尺寸、边界、缺陷和外来原子吸附物等具体形貌与原子构型对其电 子学性质有很大的影响。因此，可控制备高质量原子级精确的石墨烯纳米结构并 研究其奇特的电子学和自旋电子学性质是构筑石墨烯基纳米电子学器件必要前 提。此外，研究和理解有机分子的电子态并对其进行调控，可以构筑新型的单分 子器件。卟啉类分子具有良好的化学稳定性，独特的光学和电子学特性。吸附在 固体表面的卟啉分子是研究和理解单分子的自旋态和声子振动模式一个重要体 系。 本论文通过自下而上的温度程序控制法(temperature program growth, TPG)以 及自上而下的氢等离子体刻蚀与沉积技术，在Ir(111)、HOPG(0001)和Ru(0001)表 面上，成功制备了几种高质量的石墨烯纳米结构。利用具有原子尺度空间分辨 与电子态表征能力的低温扫描隧道显微镜以及扫描隧道显微谱(LT-STM/STS)， 对所制备的石墨烯纳米结构的边界、缺陷与氢原子吸附的原子构型及其电子态 进行了一系列研究。同时，本文也对在Au(111)表面上FeF20TPP分子的自组装结 构，电子态和低能振动模式进行了研究。最后，为进一步研究石墨烯纳米结构和 有机分子的自旋极化性质做准备，成功获取了体材料镍(Ni) 针尖并实现自旋极 化STM技术。本文主要分为以下五个部分： 一. 石墨烯纳米岛Si插层及边界态。零维石墨烯纳米岛边界尺寸小且组合多 样，研究其锯齿型(zigzag)边界和自旋极化边界态有助于深入理解碳原子磁性并构 筑纳米尺度石墨烯基自旋电子学器件。通过在石墨烯与Ir(111) 之间插入单层Si获 得类自由态的石墨烯纳米岛，可以有效解决由于边界与基底的强相互作用而无 法观测到边界态的问题。通过自下而上法在I
