Thermal-dependent electronic structure of a C60 film adsorbed on a Si(111)-(7x7) surface

Abstract

The temperature-dependent valence spectra of one monolayer (ML) C60 film adsorbed on Si(111)-(7 x 7) surface have been measured using Photoelectron Spectroscopy (PES) in order to investigate the interaction between C60 molecules and silicon substrate. The conditions of PES measurements carried out at room temperature are outlined. The valence spectra of the C60 adsorbed Si(111)-(7 x 7) surface obtained for the samples prepared at 300 and 670 K are shown in a figure. After 1.0 ML C60 film adsorption at 300 K, it was found that the occupied surface state of Si(111)-(7 x 7) surface disappeared and the Molecular Orbitals (MO) of C60 molecule appeared. Since the spectral features of the 1.0 ML films are the same as that of a C60 solid, it was considered that most of C60 molecules are physisorbed at 300 K. Then, the 1.0 ML C60 film adsorbed samples have been annealed at 670 K, and the split of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) into two peaks at binding energies of 1.75 and 2.10 eV was observed. Furthermore, the broadening has been observed in the Full Width at Half-Maximum (FWHM) of all MO, suggesting the strong interaction between C60 molecules and the Si surface at this temperature. It was indicated that the physisorbed C60 molecules became to chemisorbed species and all molecules are chemisorbed at 670 K.

C60分子とシリコン基板の間の相互作用を検討するため、Si(111)-(7×7)表面に吸着した単一層C60薄膜の温度依存価電子スペクトルを光電子分光法(PES)を用いて測定した。室温下で実施したPES測定条件の概要を述べた。300Kと670Kで調整した試料に対して求めたC60吸着Si(111)-(7×7)表面の価電子スペクトルを図示した。300Kにおいて1.0MLのC60薄膜を吸着後に、Si(111)-(7×7)表面の被占有表面状態が消滅し、C60分子の分子軌道(MO)が出現することが分かった。1.0ML薄膜のスペクトルの特徴がC60固体の特徴と同一であるので、C60分子の大半が300Kで物理吸着していると考察した。次いで、1.0MLのC60薄膜を吸着した試料を670Kで焼鈍して、HOMO(最高占有分子軌道)が結合エネルギー1.75eVと2.10eVで2つのピークに分裂するのを観測した。さらに、全分子軌道の半値全幅の広がりを観測し、この温度におけるC60分子とSi表面間に強い相互作用があることを示唆した。物理吸着したC60分子が化学吸着種になり、670Kではすべての分子が化学吸着されることを示している。