近日，我院孙强教授课题组发表最新论文，展示了光诱导的表面化学反应的研究结果，并利用激光的偏振性研究了光致表面化学合成的机理，论文发表于ACS Nano（最新影响因子：17.1），论文题目为“Unraveling the Mechanisms of On-Surface Photoinduced Reaction with Polarized Light Excitations”。
表面合成通过表面有机分子的共价偶联来获得原子级精确的纳米结构。在表面上诱导前体分子的各种反应的最常见方式是热退火。然而，这将增加形成副反应和缺陷结构的可能性，从而限制表面合成的更广泛应用。而光触发的方式则兼具化学反应的选择性且可以显著降低反应所需的温度，从而减少缺陷的产生，并且可能打开新的化学反应路径。光诱导化学在表面科学中的潜力已得到广泛认可，但其探索仍相对滞后。我们的研究旨在深入研究光化学过程诱导表面化学反应的能力，希望促进新化学以及新型纳米结构和纳米材料的实现。
图1 线偏振光源照射下在金属表面分子脱溴偶联的示意图与反应。
本工作中使用具有线偏振特性的激光作为光源，详细研究了在表面上光诱导的脱溴偶联反应。作者选择了二溴三联苯分子作为前驱体，在超高真空（UHV）条件下，利用线偏振的405 nm激光成功实现了无需热退火条件的脱溴偶联反应。在扫描隧道显微镜的超高分辨表征下，可以发现光诱导的表面化学反应获得了以二聚物为主的寡聚物作为主要的反应产物，这与热退火工艺获得的长短不一的聚合物形成了鲜明的对比。随后通过基于经典电动力学理论的分析，利用两种反应机理（分子直接内激发与表面热载流子）在线偏振光下产率与入射角度的依赖性，通过与理论近似值的比较，判断出在线偏振405 nm激光照射下，在Au(111)表面发生的脱溴偶联反应主要由表面热载流子机理主导。我们的研究结果不仅为表面光化学反应提供了基本的见解，而且为利用光构建非常规纳米材料奠定了基础。
图2 光诱导的表面化学反应机理示意图（a）分子直接内激发、（b）表面热载流子。在线偏振光下不同反应机理的反应产率与入射角度的依赖性与实验数据的比较（c）分子直接内激发，（d）表面热载流子激发。（e）-（h）在p-偏振光下不同入射角度照射下的典型STM图像
本论文工作由上海大学材料基因组工程研究院（MGI）表面科学课题组独立完成，上海大学材料基因组工程研究院为唯一单位，孙强教授为唯一通讯作者，第一作者为MGI 2022级博士生江昊。这项工作得到了国家自然科学基金的支持。
MGI表面科学课题组近年来聚焦于利用数据挖掘、机器学习和人工智能方法，结合高通量实验手段探索人工智能在表面科学中的应用。致力于培养具备“重基础、跨学科、国际化”理念的材料基因特色人才。
课题组网站：https://www.qiangsungroup.cn/
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c10690