基于si（100）表面mps自组装膜的分子模拟研究

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1、缸川63661⑧天津大謦#目*代第一所大学硕士学位论文■■一～～⋯一⋯■一学科专业：化学工芦作者姓名：张铭指导教师：李辑副教授2006年1月摘要中文摘要近年来硅烷分子自组装单层膜由于其优良的物化性质和广阔的应用前景而引起越来越多研究人员的关注，但目前对短链硅烷分子自组装膜的研究还较少，特别是关于其组装机理的研究就更少了。随着计算机技术的飞速发展，采用计算机分子模拟技术来研究材料的结构性质成为了可能。本文即采用分子力学、量子力学密度泛函理论以及分子动力学方法对羟基化Si(100)基底上短链分子三甲＼氧基巯丙基硅烷(MPS)自组装单层膜体

2、系进行了研究。本文首先根据实验结果建立了合理的自组装模型，并应用量子力学的方法对所选用的COMPASS力场的适用性进行了验证。使用分子力学模拟方法，通过比较MPS分子的平均单链结合能以及考察分子间相互作用力的不同，确定了si表面自组装MPS单层膜的最佳覆盖度为50％左右，最佳取代方式为锯齿状排列，以及膜层厚度约为O．8rim。对经过分子力学优化得到的最佳自组装单层膜结构进行动力学运算，发现短链分子很难像长链分子那样形成高度有序的单层膜结构，分析结果认为短链分子的相对无序结构主要是由于分子中键角和二面角的波动引起的。此外对该体系在不同温

3、度条件下的动力学模拟结果证明温度对该自组装膜层结构影响不是太大，500K高温下的膜层结构较之298K常温结构无太大变化。溶剂化动力学模拟结果显示在模拟过程溶剂的加入与否对结果无明显影响。此外，溶剂分子富集于膜表面而不是分散于膜中间的事实，说明该条件下的自组装单层膜具有相当的致密性，这与实验结果吻合。关键词：分子模拟，自组装单层膜，短链硅烷，三甲氧基巯丙基硅烷摘要ABSTRACTIntherecentdecades，alkylsilanesself-assembledmonolayers(SAMs)hadbeenintensivelys

4、tudiedbecauseoftheirexcellentphysicalandchemicalpropertiesand丽deapplications．ButtherearefewstudiestotheshortchainalkylsilaneSAMs，especiallyfortheSAMsmechanism．Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,itbecomespossibletostudythestructuresandthepropertiesofthismaterial

5、usingmolecularmodeling．Inthisdissertation，molecularmechanical㈣simulations，quantummechanical(QM)densityfimctionaltheory(DFT)calculations,together谢也moleculardynamic(MD)methodhavebeenusedtostudytheself-assembledmonolayer(sAJvfs)formedfrom3-mercaptopropyltrimethoxysilane(MP

6、S)onhydroxylatedSiwafer．Firstly,themodelofMPSself-assembledmonolayerOnthehydroxylatedSiwaferWasbuilt,andthenthequantummechanicalDFTmethodWasusedtocerreetthevalidationsof血eCOMPASSforce6eldwhichweehoseinthissimulation．Theopticalsurfacecoverageandthepackingpatternwereobtai

7、nedbycomparingtheaverageenergyperchainindifferentsimulationcells．neopticalpackingstractureiszigzagsubstitutedpattemwithabout50％surfacecoverage．ThethicknessofthemonolayerisaboutO．8nm．,111edynamicsimulationsatdifferenttemperatureshowedthatthetemperaturehavelittleeffecttot

8、heSAMsmonolayerstructure，asthemonolayerstructureat500Kisapproximatetotheoneat298K．Wealsocarriedoutthesolventdy