We demonstrate that weak chemical interactions between untethered moieties in molecular nanolayers on metal surfaces can strongly influence the effective work function Φeff. Electron spectroscopy shows that nanolayers of mercaptan-anchored organophosphonates on Au and Pt decrease Φeff. The measured Φeff shifts correlate with the chemical state of phosphonic acid moieties, and scale with molecular length. These results are contrary to predictions of ab initio calculations of monolayer-capped surfaces, but are consistent with calculations of bilayer-capped surfaces with face-to-face hydrogen-bonded phosphonic acid moieties. Our findings indicate that intra-layer bonding and layering in molecular nanolayers can be key to tailoring heterointerfacial electronic properties for applications.
References
1.
G. D.
Wilk
, R. M.
Wallace
, and J. M.
Anthony
, J. Appl. Phys.
89
, 5243
(2001
).2.
J.
Robertson
, Rep. Prog. Phys.
69
, 327
(2006
).3.
S. A.
DiBenedetto
, A.
Facchetti
, M. A.
Ratner
, and T. J.
Marks
, J. Am. Chem. Soc.
131
, 7158
(2009
).4.
M.
Halik
, H.
Klauk
, U.
Zschieschang
, G.
Schmid
, C.
Dehm
, M.
Schütz
, S.
Maisch
, F.
Effenberger
, M.
Brunnbauer
, and F.
Stellacci
, Nature
431
, 963
(2004
).5.
I.
De
, D.
Johri
, A.
Srivastava
, and C. M.
Osburn
, Solid-State Electron.
44
, 1077
(2000
).6.
A.-S.
Duwez
, J.
Ghijsen
, J.
Riga
, M.
Deleuze
, and J.
Delhalle
, J. Phys. Chem. B
101
, 884
(1997
).7.
D. M.
Alloway
, A. L.
Graham
, X.
Yang
, A.
Mudalige
, R.
Colorado
, V. H.
Wysocki
, J. E.
Pemberton
, T. Randall
Lee
, R. J.
Wysocki
, and N. R.
Armstrong
, J. Phys. Chem. C
113
, 20328
(2009
).8.
C. D.
Zangmeister
, L. B.
Picraux
, R. D.
van Zee
, Y.
Yao
, and J. M.
Tour
, Chem. Phys. Lett.
442
, 390
(2007
).9.
C.
Schmidt
, A.
Witt
, and G.
Witte
, J. Phys. Chem. A
115
, 7234
(2011
).10.
Y. C.
Quintero
, H.
Zhu
, and R.
Ramprasad
, J. Mater. Sci.
48
, 2277
(2013
).11.
P. J.
Hotchkiss
, H.
Li
, P. B.
Paramonov
, S. A.
Paniagua
, S. C.
Jones
, N. R.
Armstrong
, J.
Brédas
, and S. R.
Marder
, Adv. Mater.
21
, 4496
(2009
).12.
T.
Schulmeyer
, S. A.
Paniagua
, P. A.
Veneman
, S. C.
Jones
, P. J.
Hotchkiss
, A.
Mudalige
, J. E.
Pemberton
, S. R.
Marder
, and N. R.
Armstrong
, J. Mater. Chem.
17
, 4563
(2007
).13.
X.
Crispin
, V.
Geskin
, A.
Crispin
, J.
Cornil
, R.
Lazzaroni
, W. R.
Salaneck
, and J.-L.
Brédas
, J. Am. Chem. Soc.
124
, 8131
(2002
).14.
V. De
Renzi
, R.
Rousseau
, D.
Marchetto
, R.
Biagi
, S.
Scandolo
, and U. del
Pennino
, Phys. Rev. Lett.
95
, 046804
(2005
).15.
L.
Kornblum
, Y.
Paska
, J. A.
Rothschild
, H.
Haick
, and M.
Eizenberg
, Appl. Phys. Lett.
99
, 233508
(2011
).16.
L.
Kornblum
, Y.
Paska
, H.
Haick
, and M.
Eizenberg
, J. Phys. Chem. C
117
, 233
(2013
).17.
D. D.
Gandhi
, A. P.
Singh
, M.
Lane
, M.
Eizenberg
, and G.
Ramanath
, J. Appl. Phys.
101
, 084505
(2007
).18.
G.
Ramanath
, G.
Cui
, P. G.
Ganesan
, X.
Guo
, A. V.
Ellis
, M.
Stukowski
, K.
Vijayamohanan
, P.
Doppelt
, and M.
Lane
, Appl. Phys. Lett.
83
, 383
(2003
).19.
G.
Guerrero
, J. G.
Alauzun
, M.
Granier
, D.
Laurencin
, and P. H.
Mutin
, Dalton Trans.
42
, 12569
(2013
).20.
D. D.
Gandhi
, M.
Lane
, Y.
Zhou
, A. P.
Singh
, S.
Nayak
, U.
Tisch
, M.
Eizenberg
, and G.
Ramanath
, Nature
447
, 299
(2007
).21.
P. J.
O'Brien
, S.
Shenogin
, J.
Liu
, P. K.
Chow
, D.
Laurencin
, P. H.
Mutin
, M.
Yamaguchi
, P.
Keblinski
, and G.
Ramanath
, Nat. Mater.
12
, 118
(2012
).22.
P. K.
Chow
, Y. Cardona
Quintero
, P.
O'Brien
, P. H.
Mutin
, M.
Lane
, R.
Ramprasad
, and G.
Ramanath
, Appl. Phys. Lett.
102
, 201605
(2013
).23.
S.
Garg
, A.
Jain
, C.
Karthik
, B.
Singh
, R.
Teki
, V. S.
Smentkowski
, M. W.
Lane
, and G.
Ramanath
, J. Appl. Phys.
108
, 034317
(2010
).24.
O.
Acton
, G.
Ting
, H.
Ma
, J. W.
Ka
, H.
Yip
, N. M.
Tucker
, and A. K. Y.
Jen
, Adv. Mater.
20
, 3697
(2008
).25.
O.
Acton
, M.
Dubey
, T.
Weidner
, K. M.
O'Malley
, T.-W.
Kim
, G. G.
Ting
, D.
Hutchins
, J. E.
Baio
, T. C.
Lovejoy
, A. H.
Gage
, D. G.
Castner
, H.
Ma
, and A. K.-Y.
Jen
, Adv. Funct. Mater.
21
, 1476
(2011
).26.
D.
Cahen
and A.
Kahn
, Adv. Mater.
15
, 271
(2003
).27.
D. A.
Shirley
, Phys. Rev. B
5
, 4709
(1972
).28.
C.
Bain
and G.
Whitesides
, J. Phys. Chem.
93
, 1670
(1989
).29.
G.
Kresse
and J.
Furthmuller
, Phys. Rev. B
54
, 11169
(1996
).30.
P. C.
Rusu
and G.
Brooks
, J. Phys. Chem. B
110
, 22628
(2006
).31.
J. P.
Perdew
, J. A.
Chevary
, S. H.
Vosko
, K. A.
Jackson
, M. R.
Pederson
, D. J.
Singh
, and C.
Fiolhais
, Phys. Rev. B
46
, 6671
(1992
).32.
P. E.
Blochl
, Phys. Rev. B
50
, 17953
(1994
);G.
Kresse
and D.
Joubert
, Phys. Rev. B
59
, 1758
(1999
).33.
N. E.
Singh-Miller
and N.
Marzari
, Phys. Rev. B
80
, 235407
(2009
).34.
M.
Salmerón
, S.
Ferrer
, M.
Jazzar
, and G. A.
Somorjai
, Phys. Rev. B
28
, 6758
(1983
).35.
K.
Wandelt
, Appl. Surf. Sci.
111
, 1
(1997
).36.
J.
Amalric
, P. H.
Mutin
, G.
Guerrero
, A.
Ponche
, A.
Sotto
, and J.
Lavigne
, J. Mater. Chem.
19
, 141
(2009
).37.
Y.
Chen
, X.-J.
Yang
, B.
Jin
, L.-R.
Guo
, L.-M.
Zheng
, and X.-H.
Xia
, J. Phys. Chem. C
113
, 4515
(2009
).38.
N.
Gozlan
, U.
Tisch
, and H.
Haick
, J. Phys. Chem. C
112
, 12988
(2008
).39.
S. R.
Puniredd
, I.
Platzman
, R. T.
Tung
, and H.
Haick
, J. Phys. Chem. C
114
, 18674
(2010
).40.
N.
Gozlan
and H.
Haick
, J. Phys. Chem. C
112
, 12599
(2008
).41.
M. D.
Porter
, T. B.
Bright
, D. L.
Allara
, and C. E. D.
Chidsey
, J. Am. Chem. Soc.
109
, 3559
(1987
).42.
R.
Arnold
, W.
Azzam
, A.
Terfort
, and C.
Wöll
, Langmuir
18
, 3980
(2002
).© 2014 AIP Publishing LLC.
2014
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
