研究背景
电子-振动耦合，即振动耦合，在单分子层面上的理解对固体及其界面中多种物理现象的研究至关重要。这包括探讨复杂的能量耗散路径和相关的量子态。然而，单分子输运测量面临着分子吸附构型不确定性的问题，这使得对耦合电流的分析变得复杂。为了解决这一挑战，科学家们采用扫描隧道显微镜（STM）振动光谱法，该方法能够以亚分子分辨率检测由振动激发调制的隧道电流，显著推动了对分子结构参数如何影响振动激发的理解。然而，STM振动光谱法在探测与低频振动相关的振动态时面临局限，而这些低频振动在非平衡条件下的单分子电荷输运中具有重要作用。
成果简介
为了解决这一问题，武汉大学Min Feng、匹兹堡大学Hrvoje Petek、克罗地亚萨格勒布物理研究所Dino Novko以及中国人民大学季威副教授携手在Science Advances期刊上发表了题为“Charge-transfer dipole low-frequency vibronic excitation at single-molecular scale”的最新论文。研究人员提出了一种新的策略，通过使用体半导体作为基底，成功实现了分子电子态与基底的解耦。
这一策略的关键在于利用C60分子的最低未占分子轨道（LUMO）部分低于半导体的导带最低点（CBM），进而通过这种类型II带对齐来实现更好的解耦。实验结果显示，在C60分子吸附于SnSe(001)表面后，STM测量揭示了由振动激发引起的特征，成功检测到了Hg(ω1)振动态的存在。这一发现不仅为理解振动耦合现象提供了新视角，也为电子和能量收集系统的设计提供了重要参考。
研究亮点
1. 实验首次使用体半导体SnSe(001)作为基底，通过分离分子电子态与基底实现了C60分子的Hg(ω1)振动激发的检测。通过这一新策略，成功解耦了分子振动激发与基底之间的相互作用。
2. 实验通过扫描隧道显微镜（STM）测量和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了C60分子在SnSe(001)表面上的吸附构型。结果显示，在不同的分子吸附构型下，Hg(ω1)振动信号得以暴露，且该激发与分子吸附构型和环境条件无关，显示出更为普遍的特性。
3. 此外，实验发现Hg(ω1)振动激发的能量宽度（Γ）随振动态与导带最低点（CBM）的脱耦变化而减小，表明类型II能带对齐在提高振动态的解耦方面具有重要作用。
4. DFT计算结果表明，荷电转移引起的瞬时偶极子在Hg(ω1)振动激发中起着重要作用。该偶极子的形成源于电子隧穿过程中界面电荷的重新分布，从而增强了Hg(ω1)模式的激发。这一发现为理解振动激发与分子结构之间的关系提供了新的视角。
图文导读
图1. 在STM结中将分子电子态与基底解耦的策略示意图。
图2. C60在SnSe(001)表面的吸附结构。
图3. C60分子的dI/dV谱及其能隙中的LUMO共振。
图4. C60分子的d²I/dV²谱中的Hg(ω1)激发。
图5. C60-SnSe界面偶极子与Hg(ω1)_I振动诱导偶极子。
结论展望
本研究揭示了STM-分子-基底接头中类型II能带对准对分子振动激发态解耦的重要性，为未来的分子电子学研究提供了新思路。通过成功解析C60的Hg(ω1)振动激发，研究表明，降低LUMO能量至基底的能隙中可以显著增强振动解耦效果。
这一发现不仅为低频振动激发的高分辨率成像奠定了基础，也为其他原型分子和纳米结构的研究开辟了新途径。特别是在有机电子学和光伏领域，研究者可以根据分子的特性选择合适的半导体基底，以实现更优的性能。
此外，研究中提出的界面偶极子概念，强调了分子和基底之间相互作用的重要性，为理解分子在不同材料界面上的行为提供了新的视角。这一工作为后续探索分子-半导体界面及其在新型电子器件中的应用奠定了理论基础，并为发展更高效的分子材料与器件设计指明了方向。
文献信息
Cancan Lou et al. ,Charge-transfer dipole low-frequency vibronic excitation at single-molecular scale.Sci. Adv.10,eado3470(2024).