Self-Stabilized Charge States in a Double-Decker Molecular Magnet on Pb(111)

化学 分子轨道 分子内力 分子 扫描隧道显微镜 原子轨道 化学物理 分子物理学 原子物理学 电子 凝聚态物理 物理 立体化学 量子力学 有机化学
作者
Xin Liao,Rui Sun,Emi Minamitani,Lianzhi Yang,Tao Xie,Wenhao Zhang,Chaofei Liu,Svetlana Klyatskaya,Mario Ruben,Ying‐Shuang Fu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (28): 24422-24429
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03347
摘要

Electron charging plays a key role in physicochemical processes, whose intrinsic stabilization in single molecules is desirable for tailoring molecular functionality and developing molecular devices, but remains elusive on surfaces. Here, we show that molecular charge states can be self-stabilized via intramolecular distortion in single bis(phthalocyaninato)terbium(III) (TbPc2) double-decker molecules, which were grown on the Pb(111) substrate. Using scanning tunneling microscopy and spectroscopy, we identify fractions of TbPc2 molecules that reduce to 2-fold symmetry, exhibiting energy-split molecular orbitals and two types of different spin states. Our first-principles calculations unveil that the symmetry reduction is induced by charging-triggered Jahn-Teller distortions, which lift the degenerate orbitals into two 2-fold symmetric orbitals. Single or double occupancy of the lower-energy orbital results in different molecular spin states. Such intramolecular distortion traps the excess electrons stably without explicit involvement of the substrate, in contrast to previously observed molecular charge states. These charged single molecules can be manipulated with the tip individually. This study offers a new avenue for tailoring the charge and spin states of molecules.
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