We employ dispersion-corrected density-functional theory to study the adsorption of tetrapyrrole 2H-porphine (2H-P) at Cu(111) and Ag(111). Various contributions to adsorbate-substrate and adsorbate-adsorbate interactions are systematically extracted to analyze the self-assembly behavior of this basic building block to porphyrin-based metal-organic nanostructures. This analysis reveals a surprising importance of substrate-mediated van der Waals interactions between 2H-P molecules, in contrast to negligible direct dispersive interactions. The resulting net repulsive interactions rationalize the experimentally observed tendency for single molecule adsorption.
REFERENCES
1.
G.
Binnig
, H.
Rohrer
, C.
Gerber
, and E.
Weibel
, Phys. Rev. Lett.
49
, 57
(1982
).2.
Q.
Li
, G.
Mathur
, S.
Gowda
, S.
Surthi
, Q.
Zhao
, L.
Yu
, J. S.
Lindsey
, D. F.
Bocian
, and V.
Misra
, Adv. Mater.
16
, 133
(2004
).3.
Z.
Liu
, A. A.
Yasseri
, J. S.
Lindsey
, and D. F.
Bocian
, Science
302
, 1543
(2003
).4.
W. M.
Campbell
, A. K.
Burrell
, D. L.
Officer
, and K. W.
Jolley
, Coord. Chem. Rev.
248
, 1363
(2004
).5.
L.-L.
Li
and E. W.-G.
Diau
, Chem. Soc. Rev.
42
, 291
(2013
).6.
N. A.
Rakow
and K. S.
Suslick
, Nature
406
, 710
(2000
).7.
M. A.
Baldo
, D. F.
O’Brien
, Y.
You
, A.
Shoustikov
, S.
Sibley
, M. E.
Thompson
, and S. R.
Forrest
, Nature
395
, 151
(1998
).8.
B.
Su
, I.
Hatay
, A.
Trojánek
, Z.
Samec
, T.
Khoury
, C. P.
Gros
, J.-M.
Barbe
, A.
Daina
, P.-A.
Carrupt
, and H. H.
Girault
, J. Am. Chem. Soc.
132
, 2655
(2010
).9.
N.
Wintjes
, J.
Hornung
, J.
Lobo-Checa
, T.
Voigt
, T.
Samuely
, C.
Thilgen
, M.
Stöhr
, F.
Diederich
, and T. A.
Jung
, Chem. Eur. J.
14
, 5794
(2008
).10.
J.
Xiao
, S.
Ditze
, M.
Chen
, F.
Buchner
, M.
Stark
, M.
Drost
, H.-P.
Steinrück
, J. M.
Gottfried
, and H.
Marbach
, J. Phys. Chem. C
116
, 12275
(2012
).11.
G.
Rojas
, X.
Chen
, C.
Bravo
, J.-H.
Kim
, J.-S.
Kim
, J.
Xiao
, P. A.
Dowben
, Y.
Gao
, X. C.
Zeng
, W.
Choe
, and A.
Enders
, J. Phys. Chem. C
114
, 9408
(2010
).12.
K.
Diller
, F.
Klappenberger
, F.
Allegretti
, A. C.
Papageorgiou
, S.
Fischer
, A.
Wiengarten
, S.
Joshi
, K.
Seufert
, D.
Écija
, W.
Auwärter
, and J. V.
Barth
, J. Chem. Phys.
138
, 154710
(2013
).13.
L. E.
Webb
and E. B.
Fleischer
, J. Chem. Phys.
43
, 3100
(1965
).14.
E.
Ortí
and J. L.
Brédas
, Chem. Phys. Lett.
164
, 247
(1989
).15.
X.
Blase
, C.
Attaccalite
, and V.
Olevano
, Phys. Rev. B
83
, 115103
(2011
).16.
I.
Dabo
, A.
Ferretti
, C.-H.
Park
, N.
Poilvert
, Y.
Li
, M.
Cococcioni
, and N.
Marzari
, Phys. Chem. Chem. Phys.
15
, 685
(2013
).17.
Y.-H.
Zhang
, Z.-Y.
Li
, Y.
Wu
, Y.-Z.
Zhu
, and J.-Y.
Zheng
, Spectrochim. Acta, Part A
62
, 83
(2005
).18.
S.
Haq
, F.
Hanke
, M. S.
Dyer
, M.
Persson
, P.
Iavicoli
, D. B.
Amabilino
, and R.
Raval
, J. Am. Chem. Soc.
133
, 12031
(2011
).19.
C.
Iacovita
, P.
Fesser
, S.
Vijayaraghavan
, M.
Enache
, M.
Stöhr
, F.
Diederich
, and T. A.
Jung
, Chem. Eur. J.
18
, 14610
(2012
).20.
F.
Bischoff
, K.
Seufert
, W.
Auwärter
, S.
Joshi
, S.
Vijayaraghavan
, D.
Écija
, K.
Diller
, A. C.
Papageorgiou
, S.
Fischer
, F.
Allegretti
, D. A.
Duncan
, F.
Klappenberger
, F.
Blobner
, R.
Han
, and J. V.
Barth
, ACS Nano
7
, 3139
(2013
).21.
M. D.
Segall
, P. J. D.
Lindan
, M. J.
Probert
, C. J.
Pickard
, P. J.
Hasnip
, S. J.
Clark
, and M. C.
Payne
, J. Phys.: Condens. Matter
14
, 2717
(2002
).22.
M. C.
Payne
, M. P.
Teter
, D. C.
Allan
, T. A.
Arias
, and J. D.
Joannopoulos
, Rev. Mod. Phys.
64
, 1045
(1992
).23.
S. J.
Clark
, M. D.
Segall
, C. J.
Pickard
, P. J.
Hasnip
, M. I. J.
Probert
, K.
Refson
, and M. C.
Payne
, Z. Kristallogr.
220
, 567
(2005
).24.
D.
Vanderbilt
, Phys. Rev. B
41
, 7892
(1990
).25.
J. P.
Perdew
, K.
Burke
, and M.
Ernzerhof
, Phys. Rev. Lett.
77
, 3865
(1996
).26.
V. G.
Ruiz
, W.
Liu
, E.
Zojer
, M.
Scheffler
, and A.
Tkatchenko
, Phys. Rev. Lett.
108
, 146103
(2012
).27.
A.
Tkatchenko
and M.
Scheffler
, Phys. Rev. Lett.
102
, 073005
(2009
).28.
O. T.
Hofmann
, V.
Atalla
, N.
Moll
, P.
Rinke
, and M.
Scheffler
, New J. Phys.
15
, 123028
(2013
).29.
S.
Bahn
and K.
Jacobsen
, Comput. Sci. Eng.
4
, 56
(2002
).30.
F.
Hanke
, S.
Haq
, R.
Raval
, and M.
Persson
, ACS Nano
5
, 9093
(2011
).31.
M. S.
Dyer
, A.
Robin
, S.
Haq
, R.
Raval
, M.
Persson
, and J.
Klimes
, ACS Nano
5
, 1831
(2011
).32.
H. J.
Monkhorst
and J. D.
Pack
, Phys. Rev. B
13
, 5188
(1976
).33.
J.
Andzelm
, R.
King-Smith
, and G.
Fitzgerald
, Chem. Phys. Lett.
335
, 321
(2001
).34.
R. F. W.
Bader
, Chem. Rev.
91
, 893
(1991
).35.
R. F. W.
Bader
, Atoms in Molecules: A Quantum Theory
, 2nd ed. (Clarendon Press
, Oxford
, 1994
).36.
R. S.
Mulliken
, J. Chem. Phys.
23
, 1833
(1955
).37.
R. S.
Mulliken
, J. Chem. Phys.
23
, 1841
(1955
).38.
R. S.
Mulliken
, J. Chem. Phys.
23
, 2338
(1955
).39.
R. S.
Mulliken
, J. Chem. Phys.
23
, 2343
(1955
).40.
D.
Sanchez-Portal
, E.
Artacho
, and J. M.
Soler
, Solid State Commun.
95
, 685
(1995
).41.
F. L.
Hirshfeld
, Theor. Chim. Acta
44
, 129
(1977
).42.
G.
Henkelman
, A.
Arnaldsson
, and H.
Jónsson
, Comput. Mater. Sci.
36
, 354
(2006
).43.
E.
Sanville
, S. D.
Kenny
, R.
Smith
, and G.
Henkelman
, J. Comput. Chem.
28
, 899
(2007
).44.
W.
Tang
, E.
Sanville
, and G.
Henkelman
, J. Phys.: Condens. Matter
21
, 084204
(2009
).45.
K.
Diller
, F.
Klappenberger
, F.
Allegretti
, A. C.
Papageorgiou
, S.
Fischer
, D. A.
Duncan
, R. J.
Maurer
, J. A.
Lloyd
, S. C.
Oh
, K.
Reuter
, and J. V.
Barth
, J. Chem. Phys.
141
, 144703
(2014
).46.
G.
Rojas
, S.
Simpson
, X.
Chen
, D. A.
Kunkel
, J.
Nitz
, J.
Xiao
, P. A.
Dowben
, E.
Zurek
, and A.
Enders
, Phys. Chem. Chem. Phys.
14
, 4971
(2012
).47.
K. B.
Wiberg
and P. R.
Rablen
, J. Comput. Chem.
14
, 1504
(1993
).48.
O.
Leenaerts
, B.
Partoens
, and F. M.
Peeters
, Appl. Phys. Lett.
92
, 243125
(2008
).49.
D.
Jacquemin
, T. L.
Bahers
, C.
Adamo
, I.
Ciofini
, and T.
Le Bahers
, Phys. Chem. Chem. Phys.
14
, 5383
(2012
).50.
W.
Hieringer
, K.
Flechtner
, A.
Kretschmann
, K.
Seufert
, W.
Auwärter
, J. V.
Barth
, A.
Görling
, H.-P.
Steinrück
, and J. M.
Gottfried
, J. Am. Chem. Soc.
133
, 6206
(2011
).51.
K.
Boukari
, P.
Sonnet
, and E.
Duverger
, ChemPhysChem
13
, 3945
(2012
).52.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4938259 for Figures S1-S5 and Tables SI-SVI.
53.
P. S.
Bagus
, V.
Staemmler
, and C.
Wöll
, Phys. Rev. Lett.
89
, 096104
(2002
).54.
N.
Ferri
, R. A.
DiStasio
, A.
Ambrosetti
, R.
Car
, and A.
Tkatchenko
, Phys. Rev. Lett.
114
, 176802
(2015
).55.
G.
Mercurio
, R. J.
Maurer
, W.
Liu
, S.
Hagen
, F.
Leyssner
, P.
Tegeder
, J.
Meyer
, A.
Tkatchenko
, S.
Soubatch
, K.
Reuter
, and F. S.
Tautz
, Phys. Rev. B
88
, 35421
(2013
).56.
R. J.
Maurer
, V. G.
Ruiz
, and A.
Tkatchenko
, J. Chem. Phys.
143
, 102808
(2015
).57.
A.
Tkatchenko
, R. A.
DiStasio
, R.
Car
, and M.
Scheffler
, Phys. Rev. Lett.
108
, 236402
(2012
).58.
S.
Joshi
, F.
Bischoff
, R.
Koitz
, D.
Ecija
, K.
Seufert
, A. P.
Seitsonen
, J.
Hutter
, K.
Diller
, J. I.
Urgel
, H.
Sachdev
, J. V.
Barth
, and W.
Auwärter
, ACS Nano
8
, 430
(2014
).© 2016 AIP Publishing LLC.
2016
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
