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摘要：利用低温扫描隧道显微镜（LT-STM）研究了酞菁钴（CoPc）分子在Cd（0001）衬底表面吸附和自组装。在低覆盖度下，单个CoPc分子由于较强的分子与衬底作用平坦静止的吸附在Cd（0001）上，分子的叶瓣平行于衬底表面基矢方向。在高覆盖度下，由于分子与衬底相互作用力变弱，CoPc分子的从“平躺”变成了“站立”。
关键词：STM；酞菁钴；Cd；自组装；覆盖度
在过去的几十年里，过渡金属酞菁（TMPcs）分子因其在光学和有机电子器件中的潜在应用价值而受到了极大的关注[1-4]。TMPc分子是具有四重对称性的金属-有机复合物，它是由围绕中心金属离子的大环和四个通过c-c键连接到大环的外部苯环共同组成的。由于其相对简单和稳固的形状而被认为是单分子磁体的理想原型，可以自组装成有序的纳米结。越来越多的技术与手段被用于研究分子自组装过程，尤其是具有高空间分辨率的扫描隧道显微镜（STM）被广泛应用于表面形貌和分子结构的研究。目前人们在各种不同的衬底表面上研究了TMPc分子的吸附和自组装过程，包括Au [5]，Ag[6]，Cu [7]，Pb [8]，Bi [9]，NaCl [10]等。但是，对于TMPc分子的在不同的覆盖度下的结构变化的报道仍然十分缺乏。本实验主要研究了CoPc分子在Cd（0001）表面低温吸附和自组装过程，得到了不同覆盖度下的CoPc 分子的STM图像。
1 实验部分
实验在基底真空保持在约2.0×10-8pa的超高真空-低温扫描隧道显微（LT-STM）系统中进行。金屬Cd以0.15ML / min的速率从自制的Ta舟沉积在Si（111）-7×7表面上（把单层酞菁钴薄膜的覆盖度定义为 1 ML），形成非常光滑的Cd（0001）表面。CoPc分子以热升华的方式沉积到Cd（0001）表面上。在沉积期间，Cd（0001）衬底表面保持在常温。多晶钨丝被用来用作STM针尖。在实验之前，需要通过用电子束轰击处理针尖，并且选择恒流模式，并且选择液氮温度（78K）和下获得STM图像。
2 结果与讨论
首先，在室温条件下沉积少量的CoPc分子在Cd（0001）衬底表面。图1b是在低覆盖度下的几个CoPc分子吸附在衬底的STM图像。STM图像显示出CoPc分子是呈十字形的形状，这和图1a的CoPc结构模型图完全一致。仔细观察图1b发现几个CoPc分子静止且平躺在衬底表面并且每个CoPc分子的某一个叶瓣的方向是沿着Cd（0001）衬底表面的，这是分子和衬底之间较大的作用力引起的。图1c 是高分辨的单个CoPc分子的STM图像。从STM图中观察发现单个CoPc分子中间有一个较亮的突出物，这是因为接近费米能级的Co2+的d轨道与针尖态的强烈耦合所导致的。
继续增加CoPc分子的覆盖度，图1d、1e和1f分别是第一层、第二层和第三层CoPc薄膜的高覆盖度下的STM图像。如图1c和1e所示，第二层CoPc薄膜类似于第一次分子薄膜，CoPc分子都是平躺吸附在衬底表面。仔细观察发现第二层CoPc分子的中心比周围的四个叶瓣亮，这是由于第一层分子和第二层分子耦合造成的。如图1f所示，我们只能观察到CoPc的两个叶瓣，并且分子的两个叶瓣并不是在同一的高度，这表明第三次薄膜里的分子都是斜站立在第二层CoPc薄膜上的。CoPc分子由平躺变成站立，这是因为第二层CoPc分子与第一层耦合导致分子与衬底作用力变得虚弱，分子之间作用力占主导地位使得第三层CoPc分子站立在第二层薄膜上。
3 结论
本文利用低温超高真空扫描隧道显微镜（LT-STM），在液氮温度条件下研究了CoPc分子在Cd（0001）衬底表面的吸附和自组装。在低覆盖度下，单个CoPc分子由于较强的分子与衬底作用平坦静止的吸附在Cd（0001）上，分子的叶瓣平行于衬底表面基矢方向。在高覆盖度下，由于分子与衬底相互作用力变弱，CoPc分子“平躺”变成了“站立”。
参考文献：
[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.
关键词：STM；酞菁钴；Cd；自组装；覆盖度
在过去的几十年里，过渡金属酞菁（TMPcs）分子因其在光学和有机电子器件中的潜在应用价值而受到了极大的关注[1-4]。TMPc分子是具有四重对称性的金属-有机复合物，它是由围绕中心金属离子的大环和四个通过c-c键连接到大环的外部苯环共同组成的。由于其相对简单和稳固的形状而被认为是单分子磁体的理想原型，可以自组装成有序的纳米结。越来越多的技术与手段被用于研究分子自组装过程，尤其是具有高空间分辨率的扫描隧道显微镜（STM）被广泛应用于表面形貌和分子结构的研究。目前人们在各种不同的衬底表面上研究了TMPc分子的吸附和自组装过程，包括Au [5]，Ag[6]，Cu [7]，Pb [8]，Bi [9]，NaCl [10]等。但是，对于TMPc分子的在不同的覆盖度下的结构变化的报道仍然十分缺乏。本实验主要研究了CoPc分子在Cd（0001）表面低温吸附和自组装过程，得到了不同覆盖度下的CoPc 分子的STM图像。
1 实验部分
实验在基底真空保持在约2.0×10-8pa的超高真空-低温扫描隧道显微（LT-STM）系统中进行。金屬Cd以0.15ML / min的速率从自制的Ta舟沉积在Si（111）-7×7表面上（把单层酞菁钴薄膜的覆盖度定义为 1 ML），形成非常光滑的Cd（0001）表面。CoPc分子以热升华的方式沉积到Cd（0001）表面上。在沉积期间，Cd（0001）衬底表面保持在常温。多晶钨丝被用来用作STM针尖。在实验之前，需要通过用电子束轰击处理针尖，并且选择恒流模式，并且选择液氮温度（78K）和下获得STM图像。
2 结果与讨论
首先，在室温条件下沉积少量的CoPc分子在Cd（0001）衬底表面。图1b是在低覆盖度下的几个CoPc分子吸附在衬底的STM图像。STM图像显示出CoPc分子是呈十字形的形状，这和图1a的CoPc结构模型图完全一致。仔细观察图1b发现几个CoPc分子静止且平躺在衬底表面并且每个CoPc分子的某一个叶瓣的方向是沿着Cd（0001）衬底表面的，这是分子和衬底之间较大的作用力引起的。图1c 是高分辨的单个CoPc分子的STM图像。从STM图中观察发现单个CoPc分子中间有一个较亮的突出物，这是因为接近费米能级的Co2+的d轨道与针尖态的强烈耦合所导致的。
继续增加CoPc分子的覆盖度，图1d、1e和1f分别是第一层、第二层和第三层CoPc薄膜的高覆盖度下的STM图像。如图1c和1e所示，第二层CoPc薄膜类似于第一次分子薄膜，CoPc分子都是平躺吸附在衬底表面。仔细观察发现第二层CoPc分子的中心比周围的四个叶瓣亮，这是由于第一层分子和第二层分子耦合造成的。如图1f所示，我们只能观察到CoPc的两个叶瓣，并且分子的两个叶瓣并不是在同一的高度，这表明第三次薄膜里的分子都是斜站立在第二层CoPc薄膜上的。CoPc分子由平躺变成站立，这是因为第二层CoPc分子与第一层耦合导致分子与衬底作用力变得虚弱，分子之间作用力占主导地位使得第三层CoPc分子站立在第二层薄膜上。
3 结论
本文利用低温超高真空扫描隧道显微镜（LT-STM），在液氮温度条件下研究了CoPc分子在Cd（0001）衬底表面的吸附和自组装。在低覆盖度下，单个CoPc分子由于较强的分子与衬底作用平坦静止的吸附在Cd（0001）上，分子的叶瓣平行于衬底表面基矢方向。在高覆盖度下，由于分子与衬底相互作用力变弱，CoPc分子“平躺”变成了“站立”。
参考文献：
[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.