超薄绝缘体上吸附物的能级对齐与电荷态预测的从头算方法

《The Journal of Physical Chemistry C》：An Ab Initio Approach to Energy Alignment and Charge-State Prediction of Adsorbates on Ultrathin Insulators

　　

摘要

电子自旋共振扫描隧道显微镜实验的快速发展使得操纵物理吸附在金属基底支持的超薄氧化层上的单个吸附物自旋态成为可能。电子共振需要吸附物上存在未成对自旋密度，这可以通过例如从支撑基底进行电荷转移来实现。这需要吸附物的能级与基底的费米能之间具有正确的能级对齐。关于吸附在金属 - 绝缘体系统上的分子和单个原子的实验揭示了复杂的現象，包括电子带隙变窄、电荷转移、费米能级钉扎以及电荷转移后吸附物轨道的重排。尽管取得了这些进展，但基于准粒子多体微扰理论等准确方法的预测性第一性原理方法，能够在避免昂贵的完整吸附物/氧化物/金属模拟成本的同时捕捉这些效应，仍然是一个开放的挑战。在本工作中，我们提出了一种理论方法来确定氧化物/金属基底上吸附物的能级对齐。我们的方法透明地揭示了所有物理过程，并在计算成本和准确性之间取得了平衡。孤立吸附物的电离势和电子亲和能是通过 COHSEX 计算获得的，电子带隙极化是通过基底引起的准粒子重整化来量化的，费米能级钉扎是在整数电荷转移模型内评估的，而源于泡利推回或吸附物 - 金属偶极子的工作函数偏移则是根据静电势的局部变化确定的。这种计算高效的框架为分子量子比特和有机电子界面上高通量筛选铺平了道路。