表面合成是近些年来新兴的研究领域之一,它是利用固体表面的化学反应来合成各种功能化纳米材料。与传统的溶液化学合成相比,表面合成在构建低维纳米结构方面展现了巨大的优势和潜力。其中最杰出的例子就是石墨烯纳米条带和孔状石墨烯的成功合成。衬底和前驱体分子的选择是表面合成中的关键因素。此外,衬底的温度、前驱体分子的浓度和沉积速率等参数在表面合成中也起着至关重要的作用。通过合理地调控这些动力学和热力学因素,大量的低维纳米结构被可控地合成出来。在众多的表面合成调控手段中,分步合成是合成有序低维纳米结构最为高效并且被普遍运用的方法之一。分步合成法的优点之一是可以制备出几何构型稳定和较大的中间体结构,而这种结构在热沉积过程中很容易因高温热分解而难以直接沉积到表面上。此外,利用分步活化的方法,合理地选择前驱体分子和表面可以一定程度上减少低维纳米材料中产生的缺陷,从而合成长程有序的纳米结构。但到目前为止,分步合成的研究主要集中在乌尔曼反应上,即选取含有不同卤素基团的前驱体分子,通过阶梯式地改变衬底温度,达到对前驱体分子中不同碳卤键分步活化的目的,从而实现表面上碳-碳键的层级偶联,合成出缺陷较少的一维或二维纳米结构。然而,除卤素取代基外,关于其他类型取代的分子,如炔基、羧基、氨基等取代分子却很少有报道。在本文中,我们选取了两种含有多取代基的前驱体分子,二(4-溴苯基)胺(BPA)和4-溴乙炔联苯(BEBP),通过分步活化的方法成功合成了多种低维有机纳米结构。主要成果如下:1.在超高真空环境下,通过扫描隧道显微镜(STM)、X射线光电子能谱(XPS)等表面科学手段研究了 BPA分子在Ag(111)表面分步活化行为,并合成以N-Ag-N和C-Ag-C连接的两种二维有机金属网络。在150K的温度下,将BPA分子沉积到Ag(111)表面,形成了两种有序的自组装岛屿。将衬底退火到303 K,导致部分N-H键被活化,合成了 N-Ag-N有机金属二聚体。样品进一步退火到333K并保持一小时,导致N-H键的完全活化以及部分C-Br键的断裂,大面积的N-Ag-N有机金属二聚体生成。此外,当样品在333 K保持三小时后,大部分的N-Ag-N键(单个N-Ag键断裂)和C-Br发生断裂,成功制备了 N-Ag的复合物。继续退火到380K,C-Br键完全断键,同时在此温度下前驱体分子发生分子内脱氢环化,形成了一个五环结构。最后退火到403 K,形成了 C-Ag-C的二维有机金属网络结构。2.在超高真空系统中,通过STM,XPS和DFT理论计算,我们在Ag(110)表面通过[4+1]环化反应成功合成了五环嵌入的石墨烯纳米片。在313 K的温度下,将前驱体分子BEBP蒸发到Ag(110)表面上,前驱体分子中的C-Br键此时已经完全断键并形成了 C-Ag-C的有机金属二聚体。将样品退火到473K,C-Ag-C断键并形成了大面积有序的四聚体岛屿。此外,在自组装岛屿附近我们观察到了几种反应中间体,结合DFT理论计算我们对[4+1]环化反应机理进行了深入的研究。