表面有机结构因其在有机电子学的潜在应用前景受到广泛的关注和讨论。在目前普遍用于构筑表面有机结构的相互作用力(包括较弱的氢键、范德华力、π-π相互作用、偶极相互作用,较强的金属-有机配位键、共价键等)中,金属-有机配位结构有助于理解磁学、气相分离以及催化等领域的一些基本现象,因此深入探究金属原子-有机配体相互作用的内在机理是很有必要的。

近日,北京大学信息科学技术学院物理电子学研究所、纳米器件物理与化学教育部重点实验室“海外青年高层次人才计划”(“千人计划”)研究员王永锋课题组与侯士敏教授等合作,以表面物理化学研究中最常用的金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)为例,揭示了相对论效应对金属原子与含氮类有机分子配位产生影响的具体机制。实验发现,只有金、铜原子可与双吡啶类分子中的氮原子形成配位键,而银原子无法和氮原子结合获得配位结构,有机分子只以氢键方式结合。结合第一性原理计算的结果表明,金原子由于相对论效应产生的6s5d轨道收缩程度明显强于银原子最外层轨道的收缩程度,使得表面上的金原子比银原子更易于与氮原子上的孤对电子发生轨道杂化,形成稳定的配位相互作用,从而造成金、银配位活性反转的现象(左图)。相关研究成果以《相对论效应对金、银、铜表面双吡啶分子组装结构的影响》(Influence of relativistic effects on assembled structures of Vshaped bispyridine molecules on M(111) surfaces where M=Cu, Ag, Au)为题,发表于《美国化学会纳米》(ACS Nano11(8) : 8511-8518);完成实验部分的信息学院博士研究生张雪、助理研究员李娜并列第一作者,理论部分由另一位博士研究生王昊完成,王永锋、侯士敏并列通讯作者。玛丽居里-斯克罗多夫斯卡大学PawełSzabelski教授等也参与了研究。

这项研究结合相对论效应和配位轨道理论(右图),深入分析表面结构形成机制,对后续表面纳米结构的精确制备具有指导意义;得到了国家自然科学基金、重大科学研究计划等资助。

论文链接:http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.7b04559


 

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