謝正波 王亞利 王俊忠

摘要：利用低溫掃描隧道顯微鏡（LT-STM）研究了酞菁鈷（CoPc）分子在Cd（0001）襯底表面吸附和自組裝。在低覆蓋度下，單個(gè)CoPc分子由于較強(qiáng)的分子與襯底作用平坦靜止的吸附在Cd（0001）上，分子的葉瓣平行于襯底表面基矢方向。在高覆蓋度下，由于分子與襯底相互作用力變?nèi)?，CoPc分子的從“平躺”變成了“站立”。

關(guān)鍵詞：STM；酞菁鈷；Cd；自組裝；覆蓋度

在過去的幾十年里，過渡金屬酞菁（TMPcs）分子因其在光學(xué)和有機(jī)電子器件中的潛在應(yīng)用價(jià)值而受到了極大的關(guān)注[1-4]。TMPc分子是具有四重對稱性的金屬-有機(jī)復(fù)合物，它是由圍繞中心金屬離子的大環(huán)和四個(gè)通過c-c鍵連接到大環(huán)的外部苯環(huán)共同組成的。由于其相對簡單和穩(wěn)固的形狀而被認(rèn)為是單分子磁體的理想原型，可以自組裝成有序的納米結(jié)。越來越多的技術(shù)與手段被用于研究分子自組裝過程，尤其是具有高空間分辨率的掃描隧道顯微鏡（STM）被廣泛應(yīng)用于表面形貌和分子結(jié)構(gòu)的研究。目前人們在各種不同的襯底表面上研究了TMPc分子的吸附和自組裝過程，包括Au [5]，Ag[6]，Cu [7]，Pb [8]，Bi [9]，NaCl [10]等。但是，對于TMPc分子的在不同的覆蓋度下的結(jié)構(gòu)變化的報(bào)道仍然十分缺乏。本實(shí)驗(yàn)主要研究了CoPc分子在Cd（0001）表面低溫吸附和自組裝過程，得到了不同覆蓋度下的CoPc 分子的STM圖像。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)在基底真空保持在約2.0×10-8pa的超高真空-低溫掃描隧道顯微（LT-STM）系統(tǒng)中進(jìn)行。金屬Cd以0.15ML / min的速率從自制的Ta舟沉積在Si（111）-7×7表面上（把單層酞菁鈷薄膜的覆蓋度定義為 1 ML），形成非常光滑的Cd（0001）表面。CoPc分子以熱升華的方式沉積到Cd（0001）表面上。在沉積期間，Cd（0001）襯底表面保持在常溫。多晶鎢絲被用來用作STM針尖。在實(shí)驗(yàn)之前，需要通過用電子束轟擊處理針尖，并且選擇恒流模式，并且選擇液氮溫度（78K）和下獲得STM圖像。

2 結(jié)果與討論

首先，在室溫條件下沉積少量的CoPc分子在Cd（0001）襯底表面。圖1b是在低覆蓋度下的幾個(gè)CoPc分子吸附在襯底的STM圖像。STM圖像顯示出CoPc分子是呈十字形的形狀，這和圖1a的CoPc結(jié)構(gòu)模型圖完全一致。仔細(xì)觀察圖1b發(fā)現(xiàn)幾個(gè)CoPc分子靜止且平躺在襯底表面并且每個(gè)CoPc分子的某一個(gè)葉瓣的方向是沿著Cd（0001）襯底表面的，這是分子和襯底之間較大的作用力引起的。圖1c 是高分辨的單個(gè)CoPc分子的STM圖像。從STM圖中觀察發(fā)現(xiàn)單個(gè)CoPc分子中間有一個(gè)較亮的突出物，這是因?yàn)榻咏M(fèi)米能級的Co2+的d軌道與針尖態(tài)的強(qiáng)烈耦合所導(dǎo)致的。

繼續(xù)增加CoPc分子的覆蓋度，圖1d、1e和1f分別是第一層、第二層和第三層CoPc薄膜的高覆蓋度下的STM圖像。如圖1c和1e所示，第二層CoPc薄膜類似于第一次分子薄膜，CoPc分子都是平躺吸附在襯底表面。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)第二層CoPc分子的中心比周圍的四個(gè)葉瓣亮，這是由于第一層分子和第二層分子耦合造成的。如圖1f所示，我們只能觀察到CoPc的兩個(gè)葉瓣，并且分子的兩個(gè)葉瓣并不是在同一的高度，這表明第三次薄膜里的分子都是斜站立在第二層CoPc薄膜上的。CoPc分子由平躺變成站立，這是因?yàn)榈诙覥oPc分子與第一層耦合導(dǎo)致分子與襯底作用力變得虛弱，分子之間作用力占主導(dǎo)地位使得第三層CoPc分子站立在第二層薄膜上。

3 結(jié)論

本文利用低溫超高真空掃描隧道顯微鏡（LT-STM），在液氮溫度條件下研究了CoPc分子在Cd（0001）襯底表面的吸附和自組裝。在低覆蓋度下，單個(gè)CoPc分子由于較強(qiáng)的分子與襯底作用平坦靜止的吸附在Cd（0001）上，分子的葉瓣平行于襯底表面基矢方向。在高覆蓋度下，由于分子與襯底相互作用力變?nèi)?，CoPc分子“平躺”變成了“站立”。

參考文獻(xiàn)：

[1]Atodiresei N，Brede J，Lazi P，et al. Design of the local spin polarization at the organic-ferromagnetic interface[J]. Physical Review Letters，2010，105（6）：066601.