电荷转移化合物分子在超薄绝缘层上的吸附与电子结构研究

Charge transfer compounds (Donor-Acceptor molecules, D-π-A) which are composed of a covalently linked donor and an acceptor moiety through π conjugated system have recently been recognized as most promising candidates for sensitizer molecules in solar cells. The charge distribution on the sensitizer molecules greatly determines the power conversion efficiency of solar cells. In our project, such D-π-A molecules, either spatially isolated or self-organized in two-dimensional structures will be investigated by scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/STS). The high spatial and spectroscopic resolution of these techniques will be used to measure the intra- and inter-molecular charge distribution and transfer. Particularly, insulating ultrathin layers (NaCl) will be introduced to decouple the interactions of D-π-A molecules from the metal surfaces thus reducing the interfacial electronic distortions of the molecules to a minimum. The information collected from our model systems on surfaces will support the understanding and optimization of these materials in solar cells.

电荷转移化合物（D-π-A分子）是一类非常重要的太阳能电池染料敏化剂，它的敏化效率强烈依赖于染料分子的电荷密度分布（电子结构）和电荷转移能力。本项目拟用扫描隧道显微术对一种电荷转移化合物（EL86分子）在纳米尺度上进行吸附和电子结构的表征与研究。通过调节实验制备参数，将分别制备出具有单个分子和分子自组装层结构的样品，研究和对比分析这些样品中的分子电子结构将揭示分子间的电荷转移情况。在具体研究实验中，我们将借助在铜(111)表面外延生长的氯化钠超薄膜（2-4原子层）作为研究衬底，这是因为氯化钠薄膜能有效屏蔽来自金属表面对分子电子结构的耦合作用而又不影响隧穿过程，它将有助于我们研究分子的本征信息。该项目将在分子尺度上明确染料敏化剂分子电子结构与转移特性，将对提高染料敏化太阳能电池光电转化效率具有非常重要的意义。

电荷转移化合物在太阳能电池等电子器件中有着非常重要的应用，本项目对电荷转移化合物的结构与性质实现了表征与调控。一方面，在氯化钾超薄层（2原子层）表面上，细致研究了电荷转移化合物分子PTCDA的吸附特性，该分子的长轴会沿着<001>方向，并且在台阶处形成了嵌入式的吸附，通过理论计算证实，这样的吸附虽然会使一个氯化钾分子脱附，但是整体来看会使体系能量降低，趋于稳定。另一方面，还在Au(111)表面上，利用共吸附氯化钾分子的手段，成功实现了对PTCDA组装结构的调控，通过控制氯化钾的吸附量，可以控制”T”字型结构与”L”字形结构的比例，在大于1.5%单层氯化钾吸附时，”T”字型结构会完全转变成”L”字形结构。.本项目的科学意义就是通过对结构的表征和调控，来实现对器件分子电子态的调控，从而为今后电子器件的研发提供坚实的实验基础。