基于肖克莱表面电子态的分子超结构的设计制备和应用探索

Tailoring of the structure of organic films on metal surfaces is important for a broad range of applications. Much of the current investigations have addressed the adsorbate/metal systems which can be designed and understood in a relatively straightforward manner, as they depend on a combination of directly intermolecular interactions (e.g. hydrogen bonds, metal coordination bond and so on) in combination with registry of molecules to a certain lattice imposed by the substrate. This project aims to explore the nature of the Shockley surface state that aligns the molecules into ordered molecular superstructures and their potential applications. We will focus on design and form the molecular superstructures with specific inside electronic states by adjusting and controlling the Shockley surface state of substrate. And the molecular superstructures at surfaces with specific inside electronic states can in turn serve to elucidate the special adsorption behaviors of adsorbates(e.g. configurations, electonic states, surface dynamics and son on) within the surface nanoconfinement from on the large substrate terraces.

金属基底表面的分子超结构薄膜具有广泛的应用范围。目前，人们主要利用分子间的直接相互作用，如氢键、金属配位键等，以及基底几何结构来设计制备具有特定超结构的分子薄膜。在本项目中，我们主要利用金属基底表面的肖克莱电子态作为构造机制，通过改变和控制基底的肖克莱电子态，理解和探索制备具有特殊电子态的分子超结构的途径，并利用分子超结构作为表面纳米限域，研究功能分子这种纳米限域下的特殊表面吸附构型、电子态、动力学行为等。

在本项目执行过程中，我们首先通过自主研制、升级和改造科研装备，自制高性能原子力显微镜的核心部件- 基于石英音叉的qPlus型原子力传感器以及对现有仪器部件的不断优化，使得本项目核心仪器设备的关键技术指标达到国际先进水平。在此基础上，我们利用qPlus非接触原子力显微术，通过精确探测原子力探针与分子化学键的电子云之间的Pauli排斥力作用，获得了吸附基底表面的分子共价键化学骨架、分子间氢键、以及分子与金属原子配位键的高分辨空间图像，据此精确解析了分子间氢键的构型，实现了对氢键键角和键长的直接测量。该成果第一次实现了分子间氢键相互作用的实空间成像，并结合理论计算初步探讨了相关成像机理；通过扫描隧道显微术，研究了一氧化碳分子在金属铜基底上的吸附组装结构的演化过程，探讨了基底几何和电子态结构对其力学、电学性质等的调控和影响；研究了立体钛氧酞菁分子在金属铜基底及其表面绝缘层上的吸附组装和电子态结构，实现了不同带电状态下的钛氧酞菁分子的高分辨分子轨道成像，并分析了其成像机理；通过扫描隧道显微术的亚分子结构分辨图像和非接触原子力显微术的局域接触势差的测量，分析研究了非平面立体钛氧酞菁分子在金属铜基底表面的偶极取向，从而获得了真实分子吸附结构和高分辨结构图像间的关联。此外，项目还关注了其他一些国际热点问题，包括基于导电原子力显微术实现了局域图案化注电，从而作为石墨烯材料的灵活栅极调节其电子态结构，并研究了相应的电子输运性质。