表面多元超分子结构的人工设计、构造和表征

我们拟运用分子束外延和扫描隧道显微分析术等多种实验手段，由多种分子结构单元通过模板诱导的选择性自组装的方式，实现低维分子纳米结构的人工设计和构造，为将来各种分子器件的开发和应用开辟道路。此项目的特点和核心问题是，同时利用分子在模板衬底上的选择性吸附和不同分子间氢键作用的选择性，在表面上获得可控的、功能化的自组装分子纳米结构。为此，我们将首先利用高指数晶面或通过异质外延生长中应力释放的方式，制备具有规则的选择性吸附位的模板衬底；接着将第一种分子沉积在模板上。由于选择性吸附，它们将占据模板的特定位置，形成规则的排列。随后加入第二种或多种分子，并选择性的与第一种分子通过氢键连接起来，从而实现具有人工设计结构和新奇性质的低维纳米结构。最后，结合实验和理论分析，进一步修改和优化超分子结构，探索其自组装的内在机制。

实现表面多元超分子结构的人工设计和构造是利用“自下而上”自组装方法大规模、高效率的制备分子器件的先决条件。为此，我们首先制备有序的模板，利用有机分子在模板表面特定区域的选择性吸附和分子间选择性相互作用，最终在模板表面获得由多种分子构成的具有人工设计结构的超分子自组装结构。.我们在Ru(0001)、Pt(111)、Ir(111)、Cu(111)、Ni(111)等金属单晶表面上外延生长了大面积高质量的单层石墨烯（MG）。我们发现生长在Ru(0001)表面的MG摩尔条纹不同区域具有不同的电子结构，可作为模板，用于有机分子的选择性吸附和自组装。.我们发现FePc分子在低覆盖度时优先吸附在MG/Ru(0001)摩尔条纹的fcc区域，这是由于分子吸附在MG/Ru(0001)摩尔条纹fcc区域时受到水平方向偶极作用较强；随着覆盖度的增加，fcc区域被完全占据，FePc分子形成有序的单分子点阵；进一步增加覆盖度，FePc分子开始占据hcp区域，而atop区域完全不占据；覆盖度为~0.5 ML时形成有序的honeycomb结构；覆盖度为~0.75 ML时形成有序的Kagome lattice结构；继续增加覆盖度时，FePc Kagome lattice多孔网络结构可作为host与沉积的FePc单分子构成的host-guest complex；覆盖度为~1 ML时Kagome lattice由于应力而变形，并形成有序的具有正方格子的单层膜。当guest分子换成四叔丁基酞菁锌（(t-Bu)4-ZnPc）分子时，也可以形成host-guest complex。但是，这些host-guest complex都没有长程序。若以1:1的比例沉积FePc和(t-Bu)4-ZnPc两种guest分子于FePc Kagome lattice上，则可得到有序的host-guest 超结构。.我们还通过不同酞菁分子在MG/Ru(0001)和MG/Pt(111)上的自组装行为，比较了酞菁分子与衬底间相互作用的强弱，并给出了理论解释。此外，我们还利用多种实验方法，并结合理论计算，研究了MG/Ru(0001)摩尔条纹和Ag(2ML)/Pt(111)模板的微观结构和电子态等性质，并研究了金属酞菁、pentacene、C60等分子在MG和金属表面的自组装行为。