Reliable Energy Level Alignment at Physisorbed Molecule-Metal Interfaces from Density Functional Theory

Nano Letters

Volumn 15, Issue 4, 2015, Pages 2448-2455

  Egger, David A ^a   Liu, Zhen Fei ^b   Neaton, Jeffrey B ^b,c,d   Kronik, Leeor ^a  

^a WEIZMANN INSTITUTE OF SCIENCE   (Israel)

^b LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY   (United States)

^c UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

^d Kavli Energy Nanosciences Institute at Berkeley   (United States)

Author keywords

density functional theory; energy level alignment; image plane; Molecule metal interface; range separated hybrid

Indexed keywords

ALGORITHMS; GASES; INTERFACE STATES; METALS; MOLECULES; PERTURBATION TECHNIQUES; POLARIZATION;

3 ,4 ,9 ,10-PERYLENE-TETRACARBOXYLIC-DIANHYDRIDE; ENERGY LEVEL ALIGNMENT; EXCHANGE AND CORRELATION EFFECTS; IMAGE PLANE; MANY BODY PERTURBATION THEORY; METAL INTERFACE; METAL-MOLECULE INTERFACE; RANGE-SEPARATED HYBRID;

DENSITY FUNCTIONAL THEORY;

EID: 84926678025     PISSN: 15306984     EISSN: 15306992     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/nl504863r     Document Type: Article

References (114)

1. Koch, N. ChemPhysChem 2007, 8, 1438 - 1455
2. The Molecule-Metal Interface; Koch, N.; Ueno, N.; Wee, A. T. S., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2013.
3. Ishii, H.; Sugiyama, K.; Ito, E.; Seki, K. Adv. Mater. 1999, 11, 605 - 625
4. Lindsay, S. M.; Ratner, M. A. Adv. Mater. 2007, 19, 23 - 31
5. Song, H.; Reed, M. A.; Lee, T. Adv. Mater. 2011, 23, 1583 - 1608
6. Diez-Perez, I.; Hihath, J.; Hines, T.; Wang, Z.-S.; Zhou, G.; Müllen, K.; Tao, N. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 226 - 231
7. Fatemi, V.; Kamenetska, M.; Neaton, J. B.; Venkataraman, L. Nano Lett. 2011, 11, 1988 - 1992
8. Aradhya, S. V.; Frei, M.; Hybertsen, M. S.; Venkataraman, L. Nat. Mater. 2012, 11, 872 - 876
9. Greiner, M. T.; Helander, M. G.; Tang, W.-M.; Wang, Z.-B.; Qiu, J.; Lu, Z.-H. Nat. Mater. 2011, 11, 76 - 81
10. Stadtmüller, B.; Sueyoshi, T.; Kichin, G.; Kröger, I.; Soubatch, S.; Temirov, R.; Tautz, F. S.; Kumpf, C. Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 106103
11. Heimel, G.; Duhm, S.; Salzmann, I.; Gerlach, A.; Strozecka, A.; Niederhausen, J.; Bürker, C.; Hosokai, T.; Fernandez-Torrente, I.; Schulze, G.; Winkler, S.; Wilke, A.; Schlesinger, R.; Frisch, J.; Bröker, B.; Vollmer, A.; Detlefs, B.; Pflaum, J.; Kera, S.; Franke, K. J.; Ueno, N.; Pascual, J. I.; Schreiber, F.; Koch, N. Nat. Chem. 2013, 5, 187 - 194
12. El-Sayed, A.; Borghetti, P.; Goiri, E.; Rogero, C.; Floreano, L.; Lovat, G.; Mowbray, D. J.; Cabellos, J. L.; Wakayama, Y.; Rubio, A.; Ortega, J. E.; de Oteyza, D. G. ACS Nano 2013, 7, 6914 - 6920
13. Migani, A.; Mowbray, D. J.; Iacomino, A.; Zhao, J.; Petek, H.; Rubio, A. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11429 - 11432
14. Stadtmüller, B.; Lüftner, D.; Willenbockel, M.; Reinisch, E. M.; Sueyoshi, T.; Koller, G.; Soubatch, S.; Ramsey, M. G.; Puschnig, P.; Tautz, F. S.; Kumpf, C. Nat. Commun. 2014, 5, 3685
15. Oehzelt, M.; Koch, N.; Heimel, G. Nat. Commun. 2014, 5, 4174
16. Zhao, J.; Feng, M.; Dougherty, D. B.; Sun, H.; Petek, H. ACS Nano 2014, 8, 10988
17. Schulz, P.; Kelly, L. L.; Winget, P.; Li, H.; Kim, H.; Ndione, P. F.; Sigdel, A. K.; Berry, J. J.; Graham, S.; Brédas, J.-L.; Kahn, A.; Monti, O. L. A. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 7381 - 7389
18. Willenbockel, M.; Lüftner, D.; Stadtmüller, B.; Koller, G.; Kumpf, C.; Soubatch, S.; Puschnig, P.; Ramsey, M. G.; Tautz, F. S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 17, 1530 - 1548
19. Kahn, A.; Koch, N.; Gao, W. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2003, 41, 2529 - 2548
20. Ueno, N.; Kera, S. Prog. Surf. Sci. 2008, 83, 490 - 557
21. Hwang, J.; Wan, A.; Kahn, A. Mater. Sci. Eng., R 2009, 64, 1 - 31
22. Braun, S.; Salaneck, W. R.; Fahlman, M. Adv. Mater. 2009, 21, 1450 - 1472
23. Kronik, L.; Morikawa, Y. In The Molecule-Metal Interface; Koch, N.; Ueno, N.; Wee, A. T. S., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2013; pp 51 - 89.
24. Draxl, C.; Nabok, D.; Hannewald, K. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 3225 - 3232
25. Hybertsen, M.; Louie, S. Phys. Rev. B 1986, 34, 5390 - 5413
26. Onida, G.; Reining, L.; Rubio, A. Rev. Mod. Phys. 2002, 74, 601 - 659
27. Rinke, P.; Qteish, A.; Neugebauer, J.; Scheffler, M. Phys Status Solidi B 2008, 245, 929 - 945
28. Blase, X.; Attaccalite, C.; Olevano, V. Phys. Rev. B 2011, 83, 115103
29. Tamblyn, I.; Darancet, P.; Quek, S. Y.; Bonev, S. A.; Neaton, J. B. Phys. Rev. B 2011, 84, 201402(R)
30. Sharifzadeh, S.; Tamblyn, I.; Doak, P.; Darancet, P. T.; Neaton, J. B. Eur. Phys. J. B 2012, 85, 323
31. Koch, W.; Holthausen, M. C. A Chemist's Guide to Density Functional Theory; Wiley-VCH: Weinheim; New York, 2001.
32. Segev, L.; Salomon, A.; Natan, A.; Cahen, D.; Kronik, L.; Amy, F.; Chan, C. K.; Kahn, A. Phys. Rev. B 2006, 74, 165323
33. Neaton, J.; Hybertsen, M.; Louie, S. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 216405
34. Dell'Angela, M.; Kladnik, G.; Cossaro, A.; Verdini, A.; Kamenetska, M.; Tamblyn, I.; Quek, S. Y.; Neaton, J. B.; Cvetko, D.; Morgante, A.; Venkataraman, L. Nano Lett. 2010, 10, 2470 - 2474
35. Track, A. M.; Rissner, F.; Heimel, G.; Romaner, L.; Käfer, D.; Bashir, A.; Rangger, G. M.; Hofmann, O. T.; Bučko, T.; Witte, G. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 2677 - 2684
36. Biller, A.; Tamblyn, I.; Neaton, J. B.; Kronik, L. J. Chem. Phys. 2011, 135, 164706
37. Hofmann, O. T.; Atalla, V.; Moll, N.; Rinke, P.; Scheffler, M. New J. Phys. 2013, 15, 123028
38. But note that for a surface-adsorbed molecule the frontier molecular resonance is not the highest-occupied state of the whole system.
39. Sham, L.; Kohn, W. Phys. Rev. 1966, 145, 561 - 567
40. Kronik, L.; Kümmel, S. In First Principles Approaches to Spectroscopic Properties of Complex Materials; Di Valentin, C.; Botti, S.; Cococcioni, M., Eds.; Springer Berlin Heidelberg: Berlin, Heidelberg, 2014; Vol. 347, pp 137 - 191.
41. Jones, R. O.; Gunnarsson, O. Rev. Mod. Phys. 1989, 61, 689 - 746
42. Chong, D. P.; Gritsenko, O. V.; Baerends, E. J. J. Chem. Phys. 2002, 116, 1760
43. Quek, S. Y.; Venkataraman, L.; Choi, H. J.; Louie, S. G.; Hybertsen, M. S.; Neaton, J. B. Nano Lett. 2007, 7, 3477 - 3482
44. Quek, S. Y.; Choi, H. J.; Louie, S. G.; Neaton, J. B. Nano Lett. 2009, 9, 3949 - 3953
45. Darancet, P.; Widawsky, J. R.; Choi, H. J.; Venkataraman, L.; Neaton, J. B. Nano Lett. 2012, 12, 6250 - 6254
46. Liu, Z.-F.; Wei, S.; Yoon, H.; Adak, O.; Ponce, I.; Jiang, Y.; Jang, W.-D.; Campos, L. M.; Venkataraman, L.; Neaton, J. B. Nano Lett. 2014, 14, 5365 - 5370
47. Li, G.; Tamblyn, I.; Cooper, V. R.; Gao, H.-J.; Neaton, J. B. Phys. Rev. B 2012, 85, 121409(R)
48. Stadtmüller, B.; Kröger, I.; Reinert, F.; Kumpf, C. Phys. Rev. B 2011, 83, 085416
49. Huang, Y.; Wruss, E.; Egger, D.; Kera, S.; Ueno, N.; Saidi, W.; Bucko, T.; Wee, A.; Zojer, E. Molecules 2014, 19, 2969 - 2992
50. Henze, S. K. M.; Bauer, O.; Lee, T.-L.; Sokolowski, M.; Tautz, F. S. Surf. Sci. 2007, 601, 1566 - 1573
51. Tautz, F. S. Prog. Surf. Sci. 2007, 82, 479 - 520
52. Duhm, S.; Gerlach, A.; Salzmann, I.; Bröker, B.; Johnson, R. L.; Schreiber, F.; Koch, N. Org. Electron. 2008, 9, 111 - 118
53. Romaner, L.; Nabok, D.; Puschnig, P.; Zojer, E.; Ambrosch-Draxl, C. New J. Phys. 2009, 11, 053010
54. Ruiz, V. G.; Liu, W.; Zojer, E.; Scheffler, M.; Tkatchenko, A. Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 146103
55. Wagner, C.; Fournier, N.; Tautz, F. S.; Temirov, R. Phys. Rev. Lett. 2012, 109, 076102
56. Kokalj, A. Comput. Mater. Sci. 2003, 28, 155
57. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865 - 3868
58. Kresse, G.; Furthmüller, J. Phys. Rev. B 1996, 54, 11169 - 11186
59. Heyd, J.; Scuseria, G. E.; Ernzerhof, M. J. Chem. Phys. 2003, 118, 8207
60. Heyd, J.; Scuseria, G. E.; Ernzerhof, M. J. Chem. Phys. 2006, 124, 219906
61. Dori, N.; Menon, M.; Kilian, L.; Sokolowski, M.; Kronik, L.; Umbach, E. Phys. Rev. B 2006, 73, 195208
62. Körzdörfer, T.; Kümmel, S. Phys. Rev. B 2010, 82, 155206
63. Marom, N.; Hod, O.; Scuseria, G. E.; Kronik, L. J. Chem. Phys. 2008, 128, 164107
64. Janesko, B. G.; Henderson, T. M.; Scuseria, G. E. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 443 - 454
65. Bisti, F.; Stroppa, A.; Donarelli, M.; Picozzi, S.; Ottaviano, L. Phys. Rev. B 2011, 84, 195112
66. Ren, J.; Meng, S.; Wang, Y.-L.; Ma, X.-C.; Xue, Q.-K.; Kaxiras, E. J. Chem. Phys. 2011, 134, 194706
67. Rissner, F.; Egger, D. A.; Natan, A.; Körzdörfer, T.; Kümmel, S.; Kronik, L.; Zojer, E. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18634 - 18645
68. Paier, J.; Marsman, M.; Hummer, K.; Kresse, G.; Gerber, I. C.; Ángyán, J. G. J. Chem. Phys. 2006, 124, 154709
69. Perdew, J. P.; Parr, R. G.; Levy, M.; Balduz, J. L. Phys. Rev. Lett. 1982, 49, 1691 - 1694
70. Almbladh, C.-O.; von Barth, U. Phys. Rev. B 1985, 31, 3231 - 3244
71. Garcia-Lastra, J. M.; Rostgaard, C.; Rubio, A.; Thygesen, K. S. Phys. Rev. B 2009, 80, 245427
72. Freysoldt, C.; Rinke, P.; Scheffler, M. Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 056803
73. Chen, W.; Tegenkamp, C.; Pfnür, H.; Bredow, T. J. Chem. Phys. 2010, 132, 214706
74. Strange, M.; Thygesen, K. S. Beilstein J. Nanotechnol. 2011, 2, 746 - 754
75. Souza, A. M.; Rungger, I.; Pemmaraju, C. D.; Schwingenschloegl, U.; Sanvito, S. Phys. Rev. B 2013, 88, 165112
76. Souza, A. M.; Rungger, I.; Pontes, R. B.; Rocha, A. R.; Schwingenschlogl, U.; Sanvito, S. Nanoscale 2014, 6, 14495 - 14507
77. Perrin, M. L.; Verzijl, C. J. O.; Martin, C. A.; Shaikh, A. J.; Eelkema, R.; van Esch, J. H.; van Ruitenbeek, J. M.; Thijssen, J. M.; van der Zant, H. S. J.; Dulić, D. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 282 - 287
78. Magid, I.; Burstein, L.; Seitz, O.; Segev, L.; Kronik, L.; Rosenwaks, Y. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 7145 - 7150
79. Singh-Miller, N. E.; Marzari, N. Phys. Rev. B 2009, 80, 235407
80. Leininger, T.; Stoll, H.; Werner, H.-J.; Savin, A. Chem. Phys. Lett. 1997, 275, 151 - 160
81. Yanai, T.; Tew, D. P.; Handy, N. C. Chem. Phys. Lett. 2004, 393, 51 - 57
82. Baer, R.; Livshits, E.; Salzner, U. Annu. Rev. Phys. Chem. 2010, 61, 85 - 109
83. Refaely-Abramson, S.; Baer, R.; Kronik, L. Phys. Rev. B 2011, 84, 075144
84. Körzdörfer, T.; Sears, J. S.; Sutton, C.; Brédas, J.-L. J. Chem. Phys. 2011, 135, 204107
85. Srebro, M.; Autschbach, J. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 576 - 581
86. Foster, M. E.; Wong, B. M. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 2682 - 2687
87. Kronik, L.; Stein, T.; Refaely-Abramson, S.; Baer, R. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 1515 - 1531
88. Egger, D. A.; Weissman, S.; Refaely-Abramson, S.; Sharifzadeh, S.; Dauth, M.; Baer, R.; Kümmel, S.; Neaton, J. B.; Zojer, E.; Kronik, L. J. Chem. Theory Comput. 2014, 10, 1934 - 1952
89. Tamblyn, I.; Refaely-Abramson, S.; Neaton, J. B.; Kronik, L. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2734 - 2741
90. Phillips, H.; Zheng, Z.; Geva, E.; Dunietz, B. D. Org. Electron. 2014, 15, 1509 - 1520
91. Faber, C.; Boulanger, P.; Attaccalite, C.; Duchemin, I.; Blase, X. Philos. Trans. R. Soc., A 2014, 372, 20130271 - 20130271
92. Hapka, M.; Rajchel, Ł.; Modrzejewski, M.; Chałasiński, G.; Szczȩśniak, M. M. J. Chem. Phys. 2014, 141, 134120
93. Niedzialek, D.; Duchemin, I.; de Queiroz, T. B.; Osella, S.; Rao, A.; Friend, R.; Blase, X.; Kümmel, S.; Beljonne, D. Adv. Funct. Mater. 2014, 10.1002/adfm.201402682
94. Autschbach, J.; Srebro, M. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 2592 - 2602
95. Seidl, A.; Görling, A.; Vogl, P.; Majewski, J. A.; Levy, M. Phys. Rev. B 1996, 53, 3764
96. Shao, Y.; Molnar, L. F.; Jung, Y.; Kussmann, J.; Ochsenfeld, C.; Brown, S. T.; Gilbert, A. T. B.; Slipchenko, L. V.; Levchenko, S. V.; O?Neill, D. P.; DiStasio, R. A., Jr; Lochan, R. C.; Wang, T.; Beran, G. J. O.; Besley, N. A.; Herbert, J. M.; Yeh Lin, C.; Van Voorhis, T.; Hung Chien, S.; Sodt, A.; Steele, R. P.; Rassolov, V. A.; Maslen, P. E.; Korambath, P. P.; Adamson, R. D.; Austin, B.; Baker, J.; Byrd, E. F. C.; Dachsel, H.; Doerksen, R. J.; Dreuw, A.; Dunietz, B. D.; Dutoi, A. D.; Furlani, T. R.; Gwaltney, S. R.; Heyden, A.; Hirata, S.; Hsu, C.-P.; Kedziora, G.; Khalliulin, R. Z.; Klunzinger, P.; Lee, A. M.; Lee, M. S.; Liang, W.; Lotan, I.; Nair, N.; Peters, B.; Proynov, E. I.; Pieniazek, P. A.; Min Rhee, Y.; Ritchie, J.; Rosta, E.; David Sherrill, C.; Simmonett, A. C.; Subotnik, J. E.; Lee Woodcock, H., III; Zhang, W.; Bell, A. T.; Chakraborty, A. K.; Chipman, D. M.; Keil, F. J.; Warshel, A.; Hehre, W. J.; Schaefer, H. F., III; Kong, J.; Krylov, A. I.; Gill, P. M. W.; Head-Gordon, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3172
97. Refaely-Abramson, S.; Sharifzadeh, S.; Govind, N.; Autschbach, J.; Neaton, J. B.; Baer, R.; Kronik, L. Phys. Rev. Lett. 2012, 109, 226405
98. Lüftner, D.; Refaely-Abramson, S.; Pachler, M.; Resel, R.; Ramsey, M. G.; Kronik, L.; Puschnig, P. Phys. Rev. B 2014, 90, 075204
99. Lam, S. C.; Needs, R. J. J. Phys.: Condens. Matter 1993, 5, 2101
100. Lang, N. D.; Kohn, W. Phys. Rev. B 1973, 7, 3541
101. Serena, P.; Soler, J.; García, N. Phys. Rev. B 1986, 34, 6767 - 6769
102. Eguiluz, A. G.; Hanke, W. Phys. Rev. B 1989, 39, 10433
103. Eguiluz, A. G.; Heinrichsmeier, M.; Fleszar, A.; Hanke, W. Phys. Rev. Lett. 1992, 68, 1359
104. White, I. D.; Godby, R. W.; Rieger, M. M.; Needs, R. J. Phys. Rev. Lett. 1998, 80, 4265
105. Li, Y.; Lu, D.; Galli, G. J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 881 - 886
106. Northrup, J. E.; Hybertsen, M. S.; Louie, S. G. Phys. Rev. B 1989, 39, 8198
107. Marom, N.; Ren, X.; Moussa, J. E.; Chelikowsky, J. R.; Kronik, L. Phys. Rev. B 2011, 84, 195143
108. Le, D.; Aminpour, M.; Kiejna, A.; Rahman, T. S. J. Phys.: Condens. Matter 2012, 24, 222001
109. Sau, J.; Neaton, J.; Choi, H.; Louie, S.; Cohen, M. Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 026804
110. Puschnig, P.; Amiri, P.; Draxl, C. Phys. Rev. B 2012, 86, 085107
111. Yu, M.; Doak, P.; Tamblyn, I.; Neaton, J. B. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 1701 - 1706
112. Liu, S.-Y.; Alnama, K.; Matsumoto, J.; Nishizawa, K.; Kohguchi, H.; Lee, Y.-P.; Suzuki, T. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 2953 - 2965
113. Cabelli, D. E.; Cowley, A. H.; Dewar, M. J. S. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 3286 - 3289
114. Evangelista, F.; Carravetta, V.; Stefani, G.; Jansik, B.; Alagia, M.; Stranges, S.; Ruocco, A. J. Chem. Phys. 2007, 126, 124709