Violet Lander (C

$_{108}$
108H
$_{104}$
104
) is a large organic molecule that when deposited on Cu(110) surface exhibits lock-and-key like behavior [Otero et al., Nature Mater. 3, 779 (2004)]. In this work, we report a detailed fully atomistic molecular mechanics and molecular dynamics study of this phenomenon. Our results show that it has its physical basis on the interplay of the molecular hydrogens and the Cu(110) atomic spacing, which is a direct consequence of the matching between molecule and surface dimensions. This information could be used to find new molecules capable of displaying lock-and-key behavior with new potential applications in nanotechnology.

1.
J. K.
Gimzewski
and
C.
Joachim
,
Science
283
,
1683
(
1999
).
2.
C.
Joachim
,
J. K.
Gimzewski
, and
A.
Aviram
,
Nature
408
,
541
(
2000
).
3.
C.
Cai
,
M. M.
Bösch
,
B.
Müller
,
Y.
Tao
,
A.
Kündig
,
C.
Bosshard
,
Z.
Gan
,
I.
Biaggio
,
I.
Liakatas
,
M.
Jäger
,
H.
Schwer
, and
P.
Günter
,
Adv. Mater.
11
,
745
(
1999
).
4.
A.
Kühnle
,
T. R.
Linderoth
,
B.
Hammer
, and
F.
Besenbacher
,
Nature
415
,
891
(
2002
).
5.
E. E.
Oren
,
C.
Tamerler
, and
M.
Sarikaya
,
Nano Lett.
5
,
415
(
2005
).
6.
H. P.
Lang
,
M.
Hegner
,
E.
Meyer
, and
C.
Gerber
,
Nanotechnology
13
,
R29
(
2002
).
7.
F.
Moresco
,
G.
Meyer
, and
K.-H.
Rieder
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
672
(
2001
).
8.
T.
Yokoyama
,
S.
Yokoyama
,
T.
Kamikado
,
Y.
Okuno
, and
S.
Mashiko
,
Nature
413
,
619
(
2001
).
9.
T.
Zambelli
,
P.
Jiang
,
J.
Lagoute
,
S. E.
Grillo
,
S.
Gauthier
,
A.
Gourdon
, and
C.
Joachim
,
Phys. Rev. B
66
,
075410
(
2002
).
10.
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
).
11.
F.
Rosei
,
M.
Schunack
,
P.
Jiang
,
A.
Gourdon
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
C.
Joachim
, and
F.
Besenbacher
,
Science
296
,
328
(
2002
).
12.
F.
Moresco
,
L.
Gross
,
M.
Alemani
,
K.-H.
Rieder
,
H.
Tang
,
A.
Gourdon
, and
C.
Joachim
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
036601
(
2003
).
14.
J. A.
Theobald
,
N. S.
Oxtoby
,
M. A.
Phillips
,
N. R.
Champness
, and
P. H.
Beton
,
Nature
424
,
1029
(
2003
).
15.
M.
Eremtchenko
,
J. A.
Schaefer
, and
F. S.
Tautz
,
Nature
425
,
602
(
2003
).
16.
R.
Otero
,
F.
Rosei
,
Y.
Naitoh
,
P.
Jiang
,
P.
Thostrup
,
A.
Gourdon
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
C.
Joachim
, and
F.
Besenbacher
,
Nano Lett.
4
,
75
(
2004
).
17.
J.
Kuntze
,
X.
Ge
, and
R.
Berndt
,
Nanotechnology
15
,
S337
(
2004
).
19.
K.-Y.
Kwon
,
K. L.
Wong
,
G.
Pawin
,
L.
Bartels
,
S.
Stolvov
, and
T. S.
Rahman
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
166101
(
2005
).
20.
L.
Grill
,
K.-H.
Rieder
,
F.
Moresco
,
S.
Stojkovic
,
A.
Gourdon
, and
C.
Joachim
,
Nano Lett.
6
,
2685
(
2006
).
21.
S.
Weigelt
,
C.
Busse
,
L.
Petersen
,
E.
Rauls
,
B.
Hammer
,
K. V.
Gothelf
,
F.
Besenbacher
, and
T. R.
Linderoth
,
Nature Mater.
5
,
112
(
2006
).
22.
X.
Ge
,
J.
Kuntze
,
R.
Berndt
,
H.
Tang
, and
A.
Gourdon
,
Chem. Phys. Lett.
458
,
161
(
2008
).
23.
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. Res.
2
,
254
(
2009
).
24.
S.
Kuck
,
S.-H.
Chang
,
J-P.
Klöckner
,
M. H.
Prosenc
,
G.
Hoffmann
, and
R.
Wiesendanger
,
ChemPhysChem
10
,
2008
(
2009
).
25.
S.
Godlewski
,
G.
Goryl
,
A.
Gourdon
,
J. J.
Kolodziej
,
B.
Such
, and
M.
Szymonski
,
ChemPhysChem
10
,
2026
(
2009
).
26.
L.
Grill
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
084023
(
2010
).
27.
M.
Schunack
,
F.
Rosei
,
Y.
Naitoh
,
P.
Jiang
,
A.
Gourdon
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
C.
Joachim
, and
F.
Besenbacher
,
J. Chem. Phys.
117
,
6259
(
2002
).
28.
S. C.
Ghosh
,
X.
Zhu
,
A.
Secchi
,
S. K.
Sadhukhan
,
N. K.
Girdhar
, and
A.
Gourdon
,
Ann. N.Y. Acad. Sci.
1006
,
82
(
2003
).
30.
V. J.
Langlais
,
R. R.
Schlittler
,
H.
Tang
,
A.
Gourdon
,
C.
Joachim
, and
J. K.
Gimzewski
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
2809
(
1999
).
31.
J.
Kuntze
,
R.
Berndt
,
P.
Jiang
,
H.
Tang
,
A.
Gourdon
, and
C.
Joachim
,
Phys. Rev. B
65
,
233405
(
2002
).
32.
L.
Gross
,
F.
Moresco
,
M.
Alemani
,
H.
Tang
,
A.
Gourdon
,
C.
Joachim
, and
K.-H.
Rieder
,
Chem. Phys. Lett.
371
,
750
(
2003
).
33.
L.
Grill
,
K.-H.
Rieder
,
F.
Moresco
,
S.
Stojkovic
,
A.
Gourdon
, and
C.
Joachim
,
Nano Lett.
5
,
859
(
2005
).
34.
L.
Gross
,
F.
Moresco
,
L.
Savio
,
A.
Gourdon
,
C.
Joachim
, and
K.-H.
Rieder
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
056103
(
2004
).
35.
R.
Otero
,
F.
Rosei
, and
F.
Besenbacher
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
57
,
497
(
2006
).
36.
R.
Otero
,
F.
Hümmelink
,
F.
Sato
,
S. B.
Legoas
,
P.
Thostrup
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
D. S.
Galvão
, and
F.
Besenbacher
,
Nature Mater.
3
,
779
(
2004
).
37.
T.
Zambelli
,
H.
Tang
,
J.
Lagoute
,
S.
Gauthier
,
A.
Gourdon
, and
C.
Joachim
,
Chem. Phys. Lett.
348
,
1
(
2001
).
38.
L.
Stryer
,
Biochemistry
(
W. H. Freeman
,
New York
,
1997
).
39.
UNIVERSAL1.02 molecular force field, available from Accelrys, Inc. as part of Materials Studio and Cerius2 program suites. http://www.accelrys.com.
40.
S. B.
Legoas
,
V. R.
Coluci
,
S. F.
Braga
,
P. Z.
Coura
,
S. O.
Dantas
, and
D. S.
Galvão
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
055504
(
2003
);
[PubMed]
S. B.
Legoas
,
V. R.
Coluci
,
S. F.
Braga
,
P. Z.
Coura
,
S. O.
Dantas
, and
D. S.
Galvão
,
Nanotechnology
15
,
S184
(
2004
).
41.
S. B.
Legoas
,
R.
Giro
, and
D. S.
Galvão
,
Chem. Phys. Lett.
386
,
425
(
2004
).
42.
S. F.
Braga
,
V. R.
Coluci
,
S. B.
Legoas
,
R.
Giro
,
D. S.
Galvão
, and
R. H.
Baughman
,
Nano Lett.
4
,
881
(
2004
).
43.
R. H.
Baughman
and
D. S.
Galvão
,
Nature (London)
365
,
735
(
1993
).
44.
R.
Giro
and
M. J.
Caldas
,
Phys. Rev. B
76
,
161303
(
2007
).
45.
R.
Giro
and
M. J.
Caldas
,
Phys. Rev. B
78
,
155312
(
2008
).
46.
M. W.
Schmidt
,
K. K.
Baldridge
,
J. A.
Boatz
,
S. T.
Elbert
,
M. S.
Gordon
,
J. H.
Jensen
,
S.
Koseki
,
N.
Matsunaga
,
K. A.
Nguyen
,
S. J.
Su
,
T. L.
Windus
,
M.
Dupuis
, and
J. A.
Montgomery
,
J. Comput. Chem.
14
,
1347
(
1993
),
47.
P.
Ordejón
,
E.
Artacho
, and
M.
Soler
,
Phys. Rev. B
,
53
,
10441
(
1996
),
Siesta Program; version 1.3f1p; http://www.uam.es/siesta.
48.
D.
Sánchez-Portal
,
P.
Ordejón
, and
E.
Canadell
,
Structure and Bonding
,
113
,
103
(
2004
).
49.
B.
Delley
,
J. Chem. Phys.
92
,
508
(
1990
).
50.
B.
Delley
,
J. Chem. Phys.
113
, (
7756
), (
2000
).
51.
DMol3, available from Accelrys, Inc. as part of Materials Studio and Cerius2 program suites. http://www.accelrys.com
52.
J. P.
Perdew
and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. B
45
,
13244
(
1992
).
53.
J. P.
Perdew
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
23
,
5048
(
1981
).
54.
N.
Troullier
and
J. L.
Martins
,
Phys. Rev. B
43
,
1993
(
1991
).
55.
L.
Savio
,
F.
Moresco
,
L.
Gross
,
A.
Gourdon
,
C.
Joachim
, and
K.-H.
Rieder
,
Surf. Sci.
585
,
38
(
2005
).
56.
L.
Savio
,
L.
Gross
,
K.
Rieder
,
A.
Gourdon
,
C.
Joachim
,
F.
Moresco
,
Chem. Phys. Lett.
428
,
331
(
2006
).
57.
R.
Otero
,
Y.
Naitoh
,
F.
Rosei
,
P.
Jiang
,
P.
Thostrup
,
A.
Gourdon
,
E.
Lægsgaard
,
I.
Stensgaard
,
C.
Joachim
, and
F.
Besenbacher
,
Ang. Chem. Int. Ed.
43
,
2092
(
2004
).
58.
W. B.
Pearson
,
A Handbook of Lattice Spacings and Structures of Metals and Alloys
(
Pergamon
,
New York
,
1964
), Vol 1.
59.
M. E.
Tuckeman
,
Statistical Mechanics: Theory and Molecular Simulation
(
Oxford University
,
New York
,
2010
), Chap. 13.
60.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.3512623 for the movie mentioned in the text.
61.
The diffusion coefficients were obtained from the root mean displacement data with a least squares straight line fitting using the Einstein relation, see
R.
Chitra
and
S.
Yashonath
,
J. Phys. Chem. B
101
,
5437
(
1997
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.