单分子振动模式空间分布的高分辨成像研究

Vibration is one of basic properties of molecules. By investigating molecular vibrations, people could understand the physical and chemical properties of molecules in a deeper way. Using an ultra-high vacuum low temperature scan tunneling microscope (UHV-LT-STM) system to study the vibrations of single molecules, could obtain the spatial distributions of vibronic states within the molecule. This is a more precise way to get rid of the average effect of normal optical spectroscopy methods. Combined with lock-in technique, the topography image, molecular orbital image and vibronic state image of single molecules adsorbed on a decouple layer could be obtained simultaneously. Imaging the vibronic states within different molecular orbitals with sub-Angstrom resolution and modulating the interactions between the molecule and the substrate, together with the calculated molecular orbitals, further reveal the interplay of molecular conformation, molecular orbital and vibronic state. This deepens the understandings of the nature of the electro-vibronic coupling at single molecule level, which is essential for the application of molecular devices and the development of nano electronics.

振动是分子的基本属性之一，通过对分子振动的研究，可以深入认识分子的物理和化学性质。利用超高真空低温扫描隧道显微镜（UHV-LT-STM）极高的空间分辨能力和扫描隧道谱（STS）分析能力在单分子尺度上研究分子的振动，能够消除传统光谱手段的平均效应，更加精确的研究单个分子的振动及其在分子内的空间分布。结合锁相放大技术，对吸附在退耦层上的单个有机分子的形貌、分子轨道以及分子振动模式的空间分布进行同时成像，并与理论模拟计算所得到的分子轨道分布进行对比，能够获得分子轨道空间分布与分子振动模式空间分布的对应关系。在此基础上，通过对分子不同轨道内振动模式的高分辨成像以及调制分子与金属基底的相互作用，进一步揭示了表面上分子吸附构型、分子振动模式以及分子轨道结构的相互影响、相互关联。这对于加深单分子尺度上电子-振动耦合本质的认识，推动单分子器件的应用和纳米分子学到达一个新的高度，都具有重要的意义。

作为物质的基本构成单元之一，分子及其基本性质，如结构特性、力学性质、振动态等，一直以来都是人们研究的热点。本项目着眼于有机功能分子在未来电子学中的应用，利用扫描隧道显微镜系统研究了金属基底上退耦层的制备并对分子在金属表面的组装特、力学性质以及分子膜作为模板制备磁性纳米团簇进行了一系列的研究。. 研究表明，萘酞菁分子在银（111）表面会自组装成六种不同吸附构型的分子膜，我们结合DFT理论计算，获得了不同吸附构型的吸附能以及各分子膜的杨氏模量。进一步的，我们以所得到的分子膜为模板，在其上沉积磁性原子，成功制备出了单原子阵列和外形、尺寸一致的磁性纳米团簇。这些工作加深了对有机功能分子基本结构和力学性质的认识，为其未来广泛应用奠定基础，而且还提出了一套可控制备外形、尺寸一致磁性纳米团簇的可信性方案。