The adsorption of indigo molecules on Cu(111) was investigated by low temperature (5 K) scanning tunneling microscopy from the isolated single molecule regime to one monolayer. Structural optimization and image calculations demonstrate that the molecules are in a physisorbed state. Because of the reduced symmetry at the surface, single molecules acquire a chiral character upon adsorption leading to a two-dimensional (2D) chirality. They adopt two adsorption configurations, related by a mirror symmetry of the substrate, each with a distinct molecular orientation. Consequently, the 2D chirality is expressed by the orientation of the molecule. For higher coverage, molecules self-assemble by hydrogen bonding in nearly homochiral molecular chains, whose orientation is determined by the orientation taken by the isolated molecules. When the coverage approaches one monolayer, these chains pack into domains. Finally, the completion of the monolayer induces the expulsion of the molecules of the wrong chirality that are still in these domains, leading to perfect resolution in enantiopure domains.

1.
F.
Rosei
,
M.
Schunack
,
Y.
Naitoh
,
P.
Jiang
,
A.
Gourdon
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
C.
Joachim
, and
F.
Besenbacher
,
Prog. Surf. Sci.
71
,
95
(
2003
).
2.
J. V.
Barth
,
G.
Constantini
, and
K.
Kern
,
Nature (London)
437
,
671
(
2005
).
3.
S.
De Feyter
and
F. C.
De Schryver
,
Chem. Soc. Rev.
32
,
139
(
2003
).
4.
5.
K. J. M.
Bishop
,
C. E.
Wilmer
,
S.
Soh
, and
B. A.
Grzybowski
,
Small
5
,
1600
(
2009
).
6.
J. A. A. W.
Elemans
,
S.
Lei
, and
S.
De Feyter
,
Angew. Chem., Int. Ed.
48
,
7298
(
2009
).
8.
M.
Abel
,
A.
Dmitriev
,
R.
Fasel
,
N.
Lin
,
J. V.
Barth
, and
K.
Kern
,
Phys. Rev. B
67
,
245407
(
2003
).
9.
W. W.
Pai
,
C. -L.
Hsu
,
M. C.
Lin
,
K. C.
Lin
, and
T. B.
Tang
,
Phys. Rev. B
69
,
125405
(
2004
).
10.
M.
Parschau
,
R.
Fasel
,
K. -H.
Ernst
,
O.
Gröning
,
L.
Brandenberger
,
R.
Schillinger
,
T.
Greber
,
A. P.
Seitsonen
,
Y. -T.
Wu
, and
J. S.
Siegel
,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
8258
(
2007
).
11.
F.
Silly
,
A. Q.
Shaw
,
M. R.
Castell
,
G. A. D.
Briggs
,
M.
Mura
,
N.
Martsinovich
, and
L.
Kantorovich
,
J. Phys. Chem. C
112
,
11476
(
2008
).
12.
B.
Calmettes
,
S.
Nagarajan
,
A.
Gourdon
,
M.
Abel
,
L.
Porte
, and
R.
Coratger
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
6994
(
2008
).
13.
D.
Kühne
,
F.
Klappenberger
,
R.
Decker
,
U.
Schlickum
,
H.
Brune
,
S.
Klyatskaya
,
M.
Ruben
, and
J. V.
Barth
,
J. Phys. Chem. C
113
,
17851
(
2009
).
14.
B.
Calmettes
,
S.
Nagarajan
,
A.
Gourdon
,
Y.
Benjalal
,
X.
Bouju
,
M.
Abel
,
L.
Porte
, and
R.
Coratger
,
J. Phys. Chem. C
113
,
21169
(
2009
).
15.
W.
Chen
,
H. L.
Zhang
,
H.
Xu
,
E. S.
Tok
,
K. P.
Loh
, and
A. T. S.
Wee
,
J. Phys. Chem. B
110
,
21873
(
2006
).
16.
Y.
Makoudi
,
F.
Palmino
,
M.
Arab
,
E.
Duverger
, and
F.
Chérioux
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
6670
(
2008
).
17.
Y.
Makoudi
,
E.
Duverger
,
M.
Arab
,
F.
Chérioux
,
F.
Ample
,
G.
Rapenne
,
X.
Bouju
, and
F.
Palmino
,
ChemPhysChem
9
,
1437
(
2008
).
18.
Y.
Makoudi
,
M.
El Garah
,
F.
Palmino
,
E.
Duverger
,
M.
Arab
, and
F.
Cherioux
,
Surf. Sci.
602
,
2719
(
2008
).
19.
J.
Schütte
,
R.
Bechstein
,
P.
Rahe
,
M.
Rohlfing
,
A.
Kühnle
, and
H.
Langhals
,
Phys. Rev. B
79
,
045428
(
2009
).
20.
L.
Nony
,
R.
Bennewitz
,
O.
Pfeiffer
,
E.
Gnecco
,
A.
Baratoff
,
E.
Meyer
,
T.
Eguchi
,
A.
Gourdon
, and
C.
Joachim
,
Nanotechnology
15
,
S91
(
2004
).
21.
E.
Ćavar
,
M. -C.
Blüm
,
M.
Pivetta
,
F.
Patthey
,
M.
Chergui
, and
W. -D.
Schneider
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
196102
(
2005
).
22.
L.
Ramoino
,
M.
von Arx
,
S.
Schintke
,
A.
Baratoff
,
H. -J.
Güntherodt
, and
T. A.
Jung
,
Chem. Phys. Lett.
417
,
22
(
2006
).
23.
M. E.
Cañas-Ventura
,
W.
Xiao
,
P.
Ruffieux
,
R.
Rieger
,
K.
Müllen
,
H.
Brune
, and
R.
Fasel
,
Surf. Sci.
603
,
2294
(
2009
).
24.
A.
Scarfato
,
S. -H.
Chang
,
S.
Kuck
,
J.
Brede
,
G.
Hoffmann
, and
R.
Wiesendanger
,
Surf. Sci.
602
,
677
(
2008
).
25.
T.
Dienel
,
C.
Loppacher
,
S. C. B.
Mannsfeld
,
R.
Forker
, and
T.
Fritz
,
Adv. Mater.
20
,
959
(
2008
).
26.
S. A.
Burke
,
W.
Ji
,
J. M.
Mativetsky
,
J. M.
Topple
,
S.
Fostner
,
H. -J.
Gao
,
H.
Guo
, and
P.
Grütter
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
186104
(
2008
).
27.
S. A.
Burke
,
J. M.
Topple
, and
P.
Grütter
,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
423101
(
2009
).
28.
T.
Glatzel
,
L.
Zimmerli
,
S.
Koch
,
S.
Kawai
, and
E.
Meyer
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
063303
(
2009
).
29.
B.
Grévin
,
R.
Demadrille
,
M.
Linares
,
R.
Lazzaroni
, and
P.
Leclère
,
Adv. Mater.
21
,
4124
(
2009
).
30.
S.
Fremy
,
A.
Schwarz
,
K.
Läammle
,
M.
Prosenc
, and
R.
Wiesendanger
,
Nanotechnology
20
,
405608
(
2009
).
31.
M.
Fendrich
,
M.
Lange
,
C.
Weiss
,
T.
Kunstmann
, and
R.
Möller
,
J. Appl. Phys.
105
,
094311
(
2009
).
32.
S.
Berner
,
M.
de Wild
,
L.
Ramoino
,
S.
Ivan
,
A.
Baratoff
,
H. -J.
Güntherodt
,
H.
Suzuki
,
D.
Schlettwein
, and
T. A.
Jung
,
Phys. Rev. B
68
,
115410
(
2003
).
33.
D.
Bonifazi
,
H.
Spillmann
,
A.
Kiebele
,
M.
de Wild
,
P.
Seiler
,
H. -J. G. F.
Cheng
,
T.
Jung
, and
F.
Diederich
,
Angew. Chem., Int. Ed.
43
,
4759
(
2004
).
34.
R.
Otero
,
Y.
Naitoh
,
F.
Rosei
,
P.
Jiang
,
P.
Thostrup
,
A.
Gourdon
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
C.
Joachim
, and
F.
Besenbacher
,
Angew. Chem., Int. Ed.
43
,
2092
(
2004
).
35.
L.
Gavioli
,
M.
Fanetti
,
M.
Sancrotti
, and
M. G.
Betti
,
Phys. Rev. B
72
,
035458
(
2005
).
36.
T.
Zambelli
,
S.
Goudeau
,
J.
Lagoute
,
A.
Gourdon
,
X.
Bouju
, and
S.
Gauthier
,
ChemPhysChem
7
,
1917
(
2006
).
37.
L.
Gao
,
Z. T.
Deng
,
W.
Ji
,
X.
Lin
,
Z. H.
Cheng
,
X. B.
He
,
D. X.
Shi
, and
H. -J.
Gao
,
Phys. Rev. B
73
,
075424
(
2006
).
38.
O.
Guillermet
,
E.
Niemi
,
S.
Nagarajan
,
X.
Bouju
,
D.
Martrou
,
A.
Gourdon
, and
S.
Gauthier
,
Angew. Chem., Int. Ed.
48
,
1970
(
2009
).
39.
J. V.
Barth
,
J.
Weckesser
,
C.
Cai
,
P.
Günter
,
L.
Bürgi
,
O.
Jeandupeux
, and
K.
Kern
,
Angew. Chem., Int. Ed.
39
,
1230
(
2000
).
40.
F.
Klappenberger
,
M. E.
Cañas-Ventura
,
S.
Clair
,
S.
Pons
,
U.
Schlickum
,
Z. -R.
Qu
,
H.
Brune
,
K.
Kern
,
T.
Strunskus
,
C.
Wöll
,
A.
Comisso
,
A.
De Vita
,
M.
Ruben
, and
J. V.
Barth
,
ChemPhysChem
8
,
1782
(
2007
).
41.
S.
De Feyter
,
A.
Gesquière
,
M.
Klapper
,
K.
Müllen
, and
F. C.
De Schryver
,
Nano Lett.
3
,
1485
(
2003
).
42.
J. A.
Theobald
,
N. S.
Oxtoby
,
M. A.
Phillips
,
N. R.
Champness
, and
P. H.
Beton
,
Nature (London)
424
,
1029
(
2003
).
43.
S.
Clair
,
S.
Pons
,
A. P.
Seitsonen
,
H.
Brune
,
K.
Kern
, and
J. V.
Barth
,
J. Phys. Chem. B
108
,
14585
(
2004
).
44.
L.
Gross
,
F.
Moresco
,
P.
Ruffieux
,
A.
Gourdon
,
C.
Joachim
, and
K. -H.
Rieder
,
Phys. Rev. B
71
,
165428
(
2005
).
45.
L. M. A.
Perdigão
,
E. W.
Perkins
,
J.
Ma
,
P. A.
Staniec
,
B. L.
Rogers
,
N. R.
Champness
, and
P. H.
Beton
,
J. Phys. Chem. B
110
,
12539
(
2006
).
46.
M.
Abel
,
V.
Oison
,
M.
Koudia
,
C.
Maurel
,
C.
Katan
, and
L.
Porte
,
ChemPhysChem
7
,
82
(
2006
).
47.
D.
Bléger
,
D.
Kreher
,
F.
Mathevet
,
A. -J.
Attias
,
G.
Schull
,
A.
Huard
,
L.
Douillard
,
C.
Fiorini-Debuischert
, and
F.
Charra
,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
7404
(
2007
).
48.
R.
Otero
,
M.
Schöck
,
L. M.
Molina
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
B.
Hammer
, and
F.
Besenbacher
,
Angew. Chem., Int. Ed.
44
,
2270
(
2005
).
49.
R.
Otero
,
W.
Xu
,
M.
Lukas
,
R. E. A.
Kelly
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
J.
Kjems
,
L. N.
Kantorovich
, and
F.
Besenbacher
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
9673
(
2008
).
50.
R.
Otero
,
M.
Lukas
,
R. E. A.
Kelly
,
W.
Xu
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
L. N.
Kantorovich
, and
F.
Besenbacher
,
Science
319
,
312
(
2008
).
51.
F.
Silly
,
A. Q.
Shaw
,
M. R.
Castella
, and
G. A. D.
Briggs
,
Chem. Commun. (Cambridge)
2008
,
1907
.
52.
M.
Matena
,
A.
Llanes-Pallas
,
M.
Enache
,
T.
Jung
,
J.
Wouters
,
B.
Champagne
,
M.
Stöhr
, and
D.
Bonifazi
,
Chem. Commun. (Cambridge)
2009
,
3525
.
53.
Y.
Makoudi
,
M.
Arab
,
F.
Palmino
,
E.
Duverger
,
C.
Ramseyer
,
F.
Picaud
, and
F.
Chérioux
,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
9287
(
2007
).
54.
H.
Dil
,
J.
Lobo-Checa
,
R.
Laskowski
,
P.
Blaha
,
S.
Berner
,
J.
Osterwalder
, and
T.
Greber
,
Science
319
,
1824
(
2008
).
55.
Y.
Makoudi
,
C.
Didiot
,
F.
Palmino
,
E.
Duverger
,
B.
Kierren
,
D.
Malterre
, and
F.
Chérioux
,
Surf. Sci.
604
,
27
(
2010
).
56.
N.
Lin
,
A.
Dmitriev
,
J.
Weckesser
,
J. V.
Barth
, and
K.
Kern
,
Angew. Chem., Int. Ed.
41
,
4779
(
2002
).
57.
G. R.
Newkome
,
P.
Wang
,
C. N.
Moorefield
,
T. J.
Cho
,
P. P.
Mohapatra
,
S.
Li
,
S. -H.
Hwang
,
O.
Lukoyanova
,
L.
Echegoyen
,
J. A.
Palagallo
,
V.
Iancu
, and
S. -W.
Hla
,
Science
312
,
1782
(
2006
).
58.
A.
Langner
,
S. L.
Tait
,
N.
Lin
,
C.
Rajadurai
,
M.
Ruben
, and
K.
Kern
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
104
,
17927
(
2007
).
59.
N.
Lin
,
S.
Stepanow
,
M.
Ruben
, and
J. V.
Barth
,
Top. Curr. Chem.
287
,
1
(
2008
).
60.
D.
Kühne
,
F.
Klappenberger
,
R.
Decker
,
U.
Schlickum
,
H.
Brune
,
S.
Klyatskaya
,
M.
Ruben
, and
J. V.
Barth
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
3881
(
2009
).
61.
A.
Langner
,
S. L.
Tait
,
N.
Lin
,
R.
Chandrasekar
,
M.
Ruben
, and
K.
Kern
,
Chem. Commun. (Cambridge)
2009
,
2502
.
62.
A.
Gourdon
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
6950
(
2008
).
63.
L.
Grill
,
M.
Dyer
,
L.
Lafferentz
,
M.
Persson
,
M. V.
Peters
, and
S.
Hecht
,
Nat. Nanotechnol.
2
,
687
(
2007
).
64.
S.
Weigelt
,
C.
Busse
,
C.
Bombis
,
M. M.
Knudsen
,
K. V.
Gothelf
,
T.
Strunskus
,
C.
Wöll
,
M.
Dahlbom
,
B.
Hammer
,
E.
Lægsgaard
,
F.
Besenbacher
, and
T. R.
Linderoth
,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
9227
(
2007
).
65.
S.
Weigelt
,
C.
Bombis
,
C.
Busse
,
M. M.
Knudsen
,
K. V.
Gothelf
,
E.
Lægsgaard
,
F.
Besenbacher
, and
T. R.
Linderoth
,
ACS Nano
2
,
651
(
2008
).
66.
N. A. A.
Zwaneveld
,
R.
Pawlak
,
M.
Abel
,
D.
Catalin
,
D.
Gigmes
,
D.
Bertin
, and
L.
Porte
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
6678
(
2008
).
67.
M.
In’t Veld
,
P.
Iavicoli
,
S.
Haq
,
D. B.
Amabilino
, and
R.
Raval
,
Chem. Commun. (Cambridge)
2008
,
1536
.
68.
M.
Matena
,
T.
Riehm
,
M.
Stöhr
,
T. A.
Jung
, and
L. H.
Gade
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
2414
(
2008
).
69.
M.
Treier
,
R.
Fasel
,
N. R.
Champness
,
S.
Argent
, and
N. V.
Richardson
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
1209
(
2009
).
70.
R.
Fasel
,
M.
Parschau
, and
K. -H.
Ernst
,
Angew. Chem., Int. Ed.
42
,
5178
(
2003
).
71.
R.
Fasel
,
M.
Parschau
, and
K. -H.
Ernst
,
Nature (London)
439
,
449
(
2006
).
72.
J. V.
Barth
,
J.
Weckesser
,
G.
Trimarchi
,
M.
Vladimirova
,
A.
De Vita
,
C.
Cai
,
H.
Brune
,
P.
Günter
, and
K.
Kern
,
J. Am. Chem. Soc.
124
,
7991
(
2002
).
73.
N.
Petit-Garrido
,
J.
Igné-Mullol
,
J.
Claret
, and
F.
Sagués
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
237802
(
2009
).
74.
J.
Balfour-Paul
,
Indigo
(
British Museum
,
London
,
1998
).
75.
E. S. B.
Ferreira
,
A. N.
Hulme
,
H.
McNab
, and
A.
Quye
,
Chem. Soc. Rev.
33
,
329
(
2004
).
76.
C. J.
Cooksey
,
Molecules
6
,
736
(
2001
).
77.
M. I. G. M. G.
Travasso
,
P. C. S.
Santos
,
A. M. F.
Oliveira-Campos
,
M. M. M.
Raposo
, and
N.
Prasitpan
,
Adv. Col. Sci. Technol.
6
,
95
(
2003
).
78.
T.
Kobayashi
and
P. M.
Rentzepis
,
J. Chem. Phys.
70
,
886
(
1979
).
79.
J.
Weinstein
and
G. M.
Wyman
,
J. Am. Chem. Soc.
78
,
2387
(
1956
).
80.
D.
Jacquemin
,
J.
Preat
,
V.
Wathelet
, and
E. A.
Perpète
,
J. Chem. Phys.
124
,
074104
(
2006
).
81.
J. S.
Seixas de Melo
,
H. D.
Burrows
,
C.
Serpa
, and
L. G.
Arnaut
,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
2094
(
2007
).
82.
D.
Jacquemin
,
E. A.
Perpète
,
I.
Ciofini
, and
C.
Adamo
,
Acc. Chem. Res.
42
,
326
(
2009
).
83.
F.
Ample
and
C.
Joachim
,
Surf. Sci.
600
,
3243
(
2006
).
84.
F.
Ample
and
C.
Joachim
,
Surf. Sci.
602
,
1563
(
2008
).
85.
A. B.
Anderson
and
R.
Hoffmann
,
J. Chem. Phys.
60
,
4271
(
1974
).
86.
A. B.
Anderson
,
J. Chem. Phys.
62
,
1187
(
1975
).
87.
A. B.
Anderson
,
R. W.
Grimes
, and
S. Y.
Hong
,
J. Phys. Chem.
91
,
4245
(
1987
).
88.
A. B.
Anderson
,
Int. J. Quantum Chem.
49
,
581
(
1994
).
89.
H.
Vázquez
,
Y. J.
Dappe
,
J.
Ortega
, and
F.
Flores
,
J. Chem. Phys.
126
,
144703
(
2007
).
90.
K.
Berland
,
T. L.
Einstein
, and
P.
Hyldgaard
,
Phys. Rev. B
80
,
155431
(
2009
).
91.
B. L.
Rogers
,
J. G.
Shapter
, and
M. J.
Ford
,
Surf. Sci.
548
,
29
(
2004
).
92.
N. L.
Allinger
,
K. -H.
Chen
,
J. -H.
Lii
, and
K. A.
Durkin
,
J. Comput. Chem.
24
,
1447
(
2003
).
93.
X.
Bouju
,
C.
Joachim
,
C.
Girard
, and
P.
Sautet
,
Phys. Rev. B
47
,
7454
(
1993
).
94.
W.
Xu
,
M.
Dong
,
H.
Gersen
,
S.
Vázquez-Campos
,
X.
Bouju
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
M.
Crego-Calama
,
D. N.
Reinhoudt
,
T. R.
Linderoth
, and
F.
Besenbacher
,
Nano Research
2
,
535
(
2009
).
95.
L.
Lafferentz
,
F.
Ample
,
H.
Yu
,
S.
Hecht
,
C.
Joachim
, and
L.
Grill
,
Science
323
,
1193
(
2009
).
96.
M.
Yu
,
W.
Xu
,
Y.
Benjalal
,
R.
Barattin
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
M.
Hliwa
,
X.
Bouju
,
A.
Gourdon
,
C.
Joachim
,
T. R.
Linderoth
, and
F.
Besenbacher
,
Nano Research
2
,
254
(
2009
).
97.
A.
Bellec
,
F.
Ample
,
D.
Riedel
,
G.
Dujardin
, and
C.
Joachim
,
Nano Lett.
9
,
144
(
2009
).
98.
C. J.
Villagomez
,
T.
Zambelli
,
S.
Gauthier
,
A.
Gourdon
,
C.
Barthes
,
S.
Stojkovic
, and
C.
Joachim
,
Chem. Phys. Lett.
450
,
107
(
2007
).
99.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.3314725 for energy rotation barrier of a single indigo molecule on Cu(111) and 2D Fourier transform of the image of Fig. 5(a).
100.
M. M.
Deshmukh
and
S. R.
Gadre
,
J. Phys. Chem. A
113
,
7927
(
2009
).
101.
S.
De Feyter
,
A.
Miura
,
S.
Yao
,
Z.
Chen
,
F.
Würthner
,
P.
Jonkheijm
,
A. P. H. J.
Schenning
,
E. W.
Meijer
, and
F. C.
De Schryver
,
Nano Lett.
5
,
77
(
2005
).
102.
M.
Vladimirova
,
G.
Trimarchi
,
A.
Baldereschi
,
J.
Weckesser
,
K.
Kern
,
J. V.
Barth
, and
A.
De Vita
,
Acta Mater.
52
,
1589
(
2004
).
103.
J. J. P.
Stewart
,
J. Mol. Model.
13
,
1173
(
2007
).
104.
F.
Trixler
,
T.
Markert
,
M.
Lackinger
,
F.
Jamitzky
, and
W. M.
Heckl
,
Chem.-Eur. J.
13
,
7785
(
2007
).
105.
P.
Süsse
,
M.
Steins
, and
V.
Kupcik
,
Z. Kristallogr.
184
,
269
(
1988
).
106.
G.
Pawin
,
K. L.
Wong
,
K. -Y.
Kwon
, and
L.
Bartels
,
Science
313
,
961
(
2006
).
107.
I.
Horcas
,
R.
Fernández
,
J. M.
Gómez-Rodríguez
,
J.
Colchero
,
J.
Gómez-Herrero
, and
A. M.
Baro
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
013705
(
2007
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.