硅表面上构筑烷烃单层膜的分子模拟.pdfVIP

( B 辑) 第32 卷 第6 期 SCIENCE IN CHINA ( Series B ) 2002 年 12 月 硅表面上构筑烷烃单层膜的分子模拟* 苑世领 蔡政亭 ** 肖 莉 徐桂英 刘永军 (山东大学 理论化学研究所; 胶体与界面化学教育部重点实验室, 济南 250100) 摘要 用分子力学方法模拟了十二烷烃在硅表面的单层膜的排列情况. 从中发现: 十二烷烃在硅表面的覆盖率约为50%, (8 8)大小的模拟格子即可描述烷烃链在硅表面 的空间排列. 同时讨论了不同取代方式对单层膜的影响, 并比较了酯基和甲基终止的 硅表面单层膜的空间排列方式, 模拟结果与实验测量基本吻合. 结果表明: 分子模拟方 法可以作为实验手段的一种辅助工具, 在分子水平上为实验提供理论支持和微观信息. 关键词 硅表面烷烃单层膜 分子模拟 分子力学 在氢终止的硅表面上构筑烷烃单层膜, 因其独特的性质和广泛的应用前景引起了人们的 [1~5] [6~ 10] 关注 . 许多化学家 用 Grignard 试剂 紫外光照射等合成方法, 通过烯烃在氢终止的硅 表面上成功的构筑了单层膜; 同时用接触角测量 X 光散射 光电子能谱 原子力显微镜等 [8~ 10] 实验表征方法对硅表面单层膜的形态从宏观上进行了描述 . 上述研究认为硅表面的有机 改性单层膜是具有一定倾斜角度 致密和高度有序的单层(densely packed, well-ordered monolayer). 但是对这种硅表面单层膜的结构, 人们还缺乏分子水平上的了解. 换句话说, 上 述实验表征方法仅仅提供了单层膜的整体宏观性质, 而不能更详细地描述多个甚至单个分子 在硅表面的空间排列情况. 最近出现的分子模拟技术可以通过二维重复单元格子提供固体表 [11] 面单层膜在分子或者原子水平上的结构信息 . 从 2000 年开始, 用分子力学或者量子力学计 算研究硅(111)表面有机单层膜的性质引起了人们的重视[12~ 14]. 这种分子模拟方法不仅从理论 上否定了一些由实验得出的粗糙结论, 如: 对十八碳的烷烃在硅表面的覆盖率只能是 50%左 右(分子模拟计算), 不可能是 97% 的取代(实验估计), 而且也提供了一些分子水平上的排列信 息, 如烷烃链的倾斜角度和单层膜厚度问题. 本文将通过分子模拟方法, 对文献[10]中硅表面 十二烷烃单层膜的排列和一些实验结论, 提供了分子水平上的微观信息和理论支持. 1 计算方法 首先制作 0.3840 nm 0.3840 nm 2.8000 nm 的空间单元格子. 这样的单元格子包括硅 (111)晶体中最上面的4 层硅原子, 和一个垂直硅面与第一层硅原子以共价键相连的烷烃链(见 图1). 然后在x , y 轴方向上把此单元格子, 通过复制得到所要研究体系的初始构型, 扩展形成 一维直线型(如 1 2, 1 3)或者二维平面型(如2 4, 4 8) 的模拟对象. 为说明硅表面的取代 情况, 采用氢原子以取代烷烃链, 使硅表面达到所要研究的覆盖率,