| License: Publishing license for publications including print on demand (14MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-290070
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.29007
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 13 May 2014 |
| Referee: | Prof. Dr. Jascha Repp |
| Date of exam: | 7 November 2013 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Giessibl > Group Jascha Repp |
| Keywords: | Van der Waals, Rasterkraftmikroskopie, atomic force microscopy, atomare Skala, pentacene, xenon, kelvin probe, atomic scale |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 29007 |
Abstract (German)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Tieftemperatur qPlus-Rasterkraftmikroskop aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Sämtliche Details zum Aufbau der Anlage wurden dokumentiert und die Lösungen aufgetretener Probleme erläutert. Verschiedene Tests wurden durchgeführt, um die Leistung der Anlage zu charakterisieren. Diese zeigten auf, dass die Performance der Anlage zum Zeitpunkt der ...
Abstract (German)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Tieftemperatur qPlus-Rasterkraftmikroskop aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Sämtliche Details zum Aufbau der Anlage wurden dokumentiert und die Lösungen aufgetretener Probleme erläutert. Verschiedene Tests wurden durchgeführt, um die Leistung der Anlage zu charakterisieren. Diese zeigten auf, dass die Performance der Anlage zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme deutlich besser war als kommerziell erhältliche Anlagen. Dieser Umstand ermöglichte es, qualitativ hochwertige Studien durchzuführen: So konnten in ersten Experimenten die Bindungsgeometrie eines Metall-Molekül-Komplexes und die Konfigurationen des DBTH-Moleküls bestimmt und veröffentlicht werden.
Ein weiteres und in dieser Arbeit erstmals veröffentlichtes Projekt war die Untersuchung der van-der-Waals Wechselwirkung zwischen einem Edelgasatom und einem kleinen Molekül. Um ausschließlich die Wechselwirkung zwischen diesen beiden zu detektieren, wurde folgendermaßen vorgegangen: 1. Der Sensor wurde bei Amplituden im sub-Å-Bereich betrieben. Dies führte zu einer hohen Sensitivität für die kurzreichweitige Wechselwirkung. 2. Aus der gemessenen Frequenzverschiebung Δf wurde die laterale Komponente des Kraftfeldes bestimmt und ausgewertet. Dies ist deshalb von Vorteil, da das Substrat nur indirekt in die laterale Kraft eingeht. Um die Bedeutung des Substrats einschätzen zu können, wurden Experimente sowohl auf einer Cu(111)- als auch einer NaCl(2 ML)/Cu(111)-Oberfläche durchgeführt. In der Auswertung der Daten wurde eine laterale Kraft zwischen Xe-Atom und Pentacen-Molekül im pN-Bereich festgestellt. Zusätzlich traten qualitative Unterschiede in Abhängigkeit der verwendeten Substrate auf. So wurde in den Daten, die auf der Cu-Oberfläche genommen wurden, eine Kontrastinversion in den Ebenen parallel zum Molekül beobachtet. Diese war auf der NaCl-Oberfläche nicht zu sehen, stattdessen war die Kraft auf diesem Substrat betragsmäßig etwas größer. Da die Experimente ohne Anlegen einer Spannung durchgeführt werden mussten, war mit Beiträgen durch elektrostatische Wechselwirkung zu rechnen. Aus diesem Grund wurden KPFM-Messungen durchgeführt. Diese ergaben, dass das Molekül die Austrittsarbeit auf der Cu-Oberfläche senkt und es deshalb zu lateral repulsiven Kräften aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkung kommt. Dies war die Ursache für die beobachtete Kontrastinversion. Auf der NaCl-Oberfläche änderte sich dagegen die Austrittsarbeit nicht. Der Abstand, innerhalb der die vdW-Wechselwirkung dominant ist, wurde abgeschätzt, indem die dominanten Anteile der elektrostatischen Wechselwirkung von der Berechnung ausgeschlossen wurden.
Ein weiteres Projekt befasste sich mit der Korrektur von hochauflösenden AFM-Bildern, welche aufgrund der Verwendung einer funktionalisierten Spitze verzerrt sind. Es wurde gezeigt, dass es möglich ist, die Daten mit der lateralen Komponente der vdW-Kraft zu entzerren. Dazu wurde mit einer CO-terminierten Spitze die geometrische Struktur von Pentacen auf den Oberflächen Cu(111) und NaCl(2 ML)/Cu(111) abgebildet und die Korrekturmethode getestet. Als Korrekturparameter diente die inverse effektive Steifigkeit, welche durch die Kopplung des CO-Moleküls an die Metallspitze bestimmt ist. Die entzerrten Daten zeigten eine sehr gute Übereinstimmung der dargestellten mit den erwarteten Bindungslängen, was belegt, dass die Entzerrung gut anwendbar ist.
Translation of the abstract (English)
In this work, a low temperature qPlus atomic force microscope (AFM) has been built up and successfully put into operation. Key details of the build-up are documented here, with solutions to particular problems discussed. Several tests were performed to characterize the performance of the system, which showed that the performance was significantly better than commercially available machines at ...
Translation of the abstract (English)
In this work, a low temperature qPlus atomic force microscope (AFM) has been built up and successfully put into operation. Key details of the build-up are documented here, with solutions to particular problems discussed. Several tests were performed to characterize the performance of the system, which showed that the performance was significantly better than commercially available machines at that time. This made it possible to perform high-quality experiments; specifically, the binding geometry of a metal-molecule complex and the configurations of the DBTH molecule were determined and published.
Additionally, in a project published in this dissertation for the first time, the van der Waals interactions between a noble gas atom and a small molecule were quantified using AFM. To detect only the interaction between these two, we proceeded as follows. First, the sensor was operated at oscillation amplitudes in the sub-angstrom regime. This resulted in a high sensitivity for the short-range interactions. Second, from the measured frequency shift Δf the lateral component of the force field was determined and analyzed. This is advantageous because the substrate is then assumed to only indirectly contribute to the lateral force. To appreciate the importance of the substrate, experiments were performed both on the Cu(111) and NaCl(2 ML)/Cu(111) surfaces. The analysis of the data revealed a lateral force between the Xe atom and pentacene molecule in the pN range. In addition, qualitative differences occurred depending on the substrate. Thus, in the case of the Cu substrate, a contrast inversion was observed in the planes parallel to the molecule. This was not seen on the NaCl surface, instead the magnitude of the force was slightly larger on this substrate. Since the experiments had to be carried out without applying a bias voltage, contributions from the electrostatic interaction also had to be considered. For this reason, Kelvin probe force microscopy (KPFM) measurements were performed. These showed that the molecule lowers the work function of the Cu surface which leads to lateral repulsive forces due to the electrostatic interactions, causing in the observed contrast inversion. On the other hand, the work function of the NaCl surface did not change. The range where the van der Waals interaction is the dominant interaction was estimated by neglecting the dominant contributions of the electrostatic interaction from the calculation.
Another project dealt with the correction of high-resolution AFM images, which are distorted due to the use of a functionalized tip. It has been shown that it is possible to deskew the data using the lateral component of the van der Waals force. Therefore a CO-terminated tip was used to resolve the geometric structure of a pentacene molecule on the Cu(111) and NaCl(2 ML)/Cu(111) surfaces to test this correction method. The inverse effective stiffness constant was used as the correction parameter, as determined by the coupling of the CO molecule to the metal tip. The corrected data showed very good agreement with the expected bond lengths, demonstrating that the presented correction method is well applicable.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 01:41
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