有机分子-金属界面的超快电荷转移的同步辐射共振光电子谱研究

利用分子构筑纳米级器件是实现光电器件微小型化、低功耗以及新型纳米器件研制的重要途径。分子-电极界面是构成分子器件的重要组成部分，其界面特性也是实现分子器件功能的最直接因素之一。探索分子-电极界面电荷转移是理解分子器件功能和设计新型器件的起点和关键之处。本申请拟采用基于同步辐射光源的共振光电子谱技术，以4-氟-苯硫醇/金属为研究体系，设计和合成具有不同桥联长度和桥联化学构成的的4-氟-苯硫醇衍生物，确定4-氟-苯硫醇及其衍生物与金属之间的界面电荷转移时间，构造界面电荷转移时间与分子-电极之间距离、侨联化学构成之间的依赖关系，探索分子-金属超快界面电荷转移机制。这一基础研究能够帮助理解分子器件的电学行为和功能实现，为进一步开发基于有机分子的新型器件奠定基础，具有重要的科学意义和潜在的应用前景。

本项目着眼于有机分子与金属界面之间的电荷转移过程，特别关注红荧烯、酞菁锌等共轭大分子体系与金属表面间的电荷转移现象，利用扫描隧道显微和同步辐射光电子谱技术研究了上述分子与金属表面之间的电荷转移过程和非对称电荷转移所导致的分子手性及其识别过程，也研究了上述分子在固体表面上单分子层的形成以及结构特性、分子-分子间相互作用与固体表面与分子间作用的竞争对形成结构的影响。在室温下首次观测到吸附在铜（100）表面上的非手性的酞菁锌分子具有手性特征，扫描隧道显微镜观测和同步辐射光电子谱测量结果证实该种手性不是传统定义的分子手性，而是来源于分子与铜表面之间的非对称电荷转移所导致的纯电子轨道手性；并且该类电荷转移导致的手性分子可在热驱动下自发组装成二级手性结构，具有与传统手性分子类似的手性识别特点。通过对单个分子的操纵，实现了对手性识别动态过程的分子水平上的实时跟踪，发现了手性识别中亚稳态的存在，证实了该类手性分子的识别过程遵守形状匹配原则，揭示了手性识别的主要驱动力为该类手性分子间的范德华作用力。通过扫描隧道显微技术首次观测到吸附在金表面上的红荧烯单分子层的厚度小于单个碳原子尺度，揭示了红荧烯分子与金表面之间杂化轨道和界面电荷转移的存在，证实了金属表面对吸附有机分子的分子轨道的调控。利用同步辐射光电子谱技术，研究了原位氧化过程对红茵烯薄膜的电学性质的影响，发现氧化红茵烯分子可引入位于红荧烯薄膜的价带内部的电子态，在此基础上提出了在红荧烯晶体中氧化红茵烯分子作为点缺陷所导致长程序破缺引起的带间局域受主态模型。提出了一种在金属表面制备具有特定形状的石墨烯单晶的研究思路，并采用该思路在铜（111）表面上成功地制备了三角形石墨烯单晶，同时利用扫描隧道显微技术揭示了该种石墨烯具有明确的zig-zag边缘结构；首次制备并观测了一种新型的银诱导的硅（100）表面重构：Si(100)-(2root2 × 2root2)R45◦-Ag，发现银原子可与硅表面上的二聚体形成化学键，揭示了一种全新的银在硅（100）表面上的吸附位点。上述结果对分子器件的设计和优化、分子与金属界面特性的表征有重要的参考价值，共在Appl. Phys. Lett.、Phys. Rev. B等SCI刊物发表论文6篇，申请中国发明专利1项。