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从组装到反应：有机分子在石墨表面吸附行为的STM研究
摘要：
本文介绍了近年来石墨表面上吸附有机分子的研究进展，主要围绕STM技术为手段的表面组装和反应两个方面进行讨论。在表面组装方面，我们探讨了石墨表面上的自组装和人工组装两种方式，介绍了吸附分子构成和配位覆盖度对组装结构和电子性质的影响。在表面反应方面，本文重点叙述了石墨表面上偶联反应和单分子反应两类反应类型，分析了表面结构和反应机制与反应产物形成之间的关系。最后，总结了目前吸附有机分子在石墨表面上的研究热点及未来发展趋势。
关键词：石墨表面，有机分子，STM，表面组装，表面反应
引言：
石墨表面是一种非常特殊的表面，由于其高度的取向性和可控性，近年来在表面科学和纳米技术领域中引起了广泛的关注。在这个表面上，科学家们研究了许多吸附分子的行为例如附着、组装和反应等，并利用STM技术对其进行了表征。借助STM仪器，我们能够对石墨表面上的吸附分子进行观察，从而揭示其组装结构、电子性质和反应机制等。本文主要探讨近年来石墨表面上吸附有机分子的研究进展以及吸附分子的自组装、人工组装和反应机制等方面的研究成果。
一、石墨表面吸附有机分子的自组装和人工组装
自组装是一种自发的过程，利用吸附分子之间的相互作用来形成规则的结构。自组装不仅能控制表面结构，还能影响表面的电子性质，因此在材料科学和电子器件制备中得到广泛的应用。在石墨表面，吸附分子之间的相互作用主要包括分子间的范德华力、静电力和共价键等，这些相互作用会导致吸附分子形成结晶、单分子或链状等不同形式的组装。因此，在石墨表面上自组装吸附分子是一项重要的研究课题。
1.1石墨表面上吸附分子的自组装
石墨表面上自组装分子的行为与其分子结构密切相关。例如，类似十六烷基乙酸等链状分子会形成单层或满层结构，并在石墨表面上形成长而有序的链状结构。小分子如苯和萘等则往往会形成有序的二维晶体结构。此外，表面分子的配位覆盖度也会影响表面结构的有序性。实验发现，当萘等分子的配位覆盖度从1/6增加到全覆盖时，表面结构出现了从有序晶体到无序晶体的转变。
表面组装结构的场效应性质也引起了广泛关注。以芴基四苯甲烷为例，在石墨表面上，它形成了有序的单分子层结构。当加入一些掺杂分子时，这些有序的结构会失去。这是因为掺杂分子与芴基四苯甲烷共存，并且调节了芴基四苯甲烷分子自己的位置，从而导致电子传输特性的改变。这只是表明了石墨表面组装分子的调控性以及其调控电特性的重要性。
1.2石墨表面上吸附分子的人工组装
与自组装相比，人工组装具有很强的可控性，因为我们可以在石墨表面上操纵分子的组装位置和方向。通过STM技术，科学家们可以在石墨表面上使用锚点分子或计算机辅助设计等方法控制分子的组装。
例如，科学家们利用环戊基异腈分子作为锚点分子并通过氢键作用将芳香环分子组装成了链状结构。人工组装的优势在于我们能够形成特定的结构，有效地评估这些结构的电学性质并测试其在电子器件制备中的应用。
二、石墨表面上吸附分子的反应性质
在石墨表面上，吸附分子与石墨表面的相互作用需要通过化学反应来克服，容易导致新的化学键形成、结构变化和电学性质变化等。常见的反应类型包括偶联反应和单分子反应。
2.1石墨表面上吸附分子的偶联反应
偶联反应是指两个分子在表面上形成新的化学键。受分子结构和表面环境的影响，偶联反应会发生一系列变化，产生不同类型的化学键。例如，苯并环已知能够直接偶联，并形成四联苯。在石墨表面上经过特定条件的冷冻处理时，分子可能发生加成反应。在冷冻过程中，芳香环分子之间形成紫外线通量，并让分子之间的共价键形成。这使得分子的响应性、催化性和电学特性等都得到了有效评估。
2.2石墨表面上吸附分子的单分子反应
单分子反应是一种特别复杂的化学反应，只涉及单个分子。在石墨表面上，单分子反应可以分为氧化还原反应和加成反应两类。
以氧化还原反应为例，科学家们将分子吸附在石墨表面上，并通过在表面上加入氧气分子或原子氢等将其氧化和还原，从而观察分子活性位置的变化和电学性质。同时，一些巨噬型分子也可以在石墨表面上通过单分子反应进行按位电转录。
结论：
石墨表面上吸附的有机分子能够通过自组装和人工组装形成复杂的结构，影响其电学性质。此外，分子间的偶联反应和单分子反应也在石墨表面上得到了研究。虽然已经取得了很多重要成果，但在控制自组装和反应机制方面仍有挑战。因此，未来的研究应集中于利用更多的结晶和彩色功能化岛、连桥、电场、光场等，以实现石墨表面上有机分子的超级自组装和高级化学反应，深入地研究石墨表面上的介观结构和在表面上发展其电学或催化性能方面的应用。