苉分子薄膜在不同衬底上生长情况的研究

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近年发现的金属掺杂多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon,PAH)类超导体以其简单的分子结构和可能的高转变温度成为当前研究的一个热点。多环芳烃有机分子仅有碳和氢组成,纯块体材料通常为绝缘体。在对多种多环芳烃材料进行了碱金属或其他金属的掺杂实验之后,研究人员发现了超导转变,其转变温度随分子的不同和掺杂浓度的不同而不同,范围从4.5K(K3pentacene)到33.1K(K3.45dibenzopentacene)。这些研究扩展了有机超导体的范畴,具有重要的研究和应用前景。然而,这类超导材料的实验当中采用的是真空热烧结的方法制备的样品,样品中可能包含多种组分,并且相应的研究发现其超导组分所占比重通常只有1%左右。因此,具体发生超导转变的组分是什么,其具有什么样的结构,金属掺杂过程中金属原子与有机分子的相互作用以及电荷转移情况是怎样的,这些都尚不清楚,文献中也没有给出相应的解释。解决这些问题的一种研究思路是在衬底上真空生长单晶态的有机分子结构并进行可控掺杂。然而,利用这种样品制备方法,现有报道的结果也是矛盾重重,有的文章虽然没有看到超导相变,但宣称发现了金属掺杂导致的绝缘体到金属态的转变,而有的文章宣称金属掺杂后仍然是绝缘体。因此我们考虑到衬底在这类研究中可能起到了一个至关重要的作用。因为衬底的影响,其表面生长的有机分子薄膜在掺杂金属之后的性状与发生超导转变的样品在掺杂前后的性状可能有所不同。为了研究衬底的具体作用,我们利用超高真空扫描隧道显微镜(Scanning tunneling microscope,STM)结合第一性原理研究了苉(picene)分子在Au(111)表面和p-SnSe表面的生长与性质。其中Au(111)是常用的衬底材料,但它与picene分子之间可能存在较强的相互作用。SnSe是一种典型的半导体,它与表面吸附的有机分子之间的相互作用可能比较弱。两种衬底的使用可以对结果进行对比。另一方面,因为超导邻近效应,所以在金属衬底上制备的掺杂分子薄膜可能很难出现超导相,而与分子薄膜有着弱相互作用的半导体衬底上更加有希望通过掺杂获得超导相。因此我们选择SnSe作为衬底来生长picene分子也是为了将来寻找到超导相做准备。在本文中,我们主要研究了picene分子在Au(111)表面和p-SnSe衬底上的生长情况,包括对Au(111)和p-SnSe衬底上的picene分子薄膜样品进行扫描隧道显微(STM)图像和扫描隧道谱(STS)分析。对于单层picene分子在Au(111)表面和p-SnSe衬底上的生长情况,我们观察到分子都呈棒状,长边上有三个突起,正好对应于picene分子长边上的三个苯环,通过叠加picene分子的结构模型,发现picene分子均平躺在衬底表面,且都存在两种不同取向的分子。不同的是,以SnSe作为衬底时,我们能得到分辨率更高的STM图像,并且发现了新的组装结构。我们还发现,相对于在Au(111)表面,在p-SnSe衬底上生长的分子在液氮温度下仍然可以比较自由的移动,这归因于SnSe较低的表面扩散势垒,因而分子具有较高的扩散速率。对于两层picene分子在Au(111)表面和p-SnSe衬底上的生长情况,我们都能看到相同明暗分子交叉排列的结构,认为随着分子量的增多,部分分子取向会发生改变,即部分平躺着的分子会变成倾斜着的分子。通过对这两种不同的取向的分子作STS分析,我们发现在费米面附近的能隙存在差异,这与分子和衬底之间的相互作用有关,其中SnSe表面生长的picene分子薄膜具有更接近块体picene的结构和电子学性质。以上结果表明picene分子与SnSe表面的相互作用比较弱,在SnSe衬底上面进行掺杂实验有望看到超导转变现象,进一步的掺杂研究还在进行中。
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