| License: Creative Commons Attribution 4.0 (5MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-382714
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.38271
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 20 December 2019 |
| Referee: | Prof. Dr. Jascha Repp |
| Date of exam: | 20 December 2018 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Giessibl > Group Jascha Repp |
| Keywords: | Rastertunnelmikroskopy, Rasterkraftmikroskopie, Einzelmoleküle, Spektroskopie |
| 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: | 38271 |
Abstract (German)
In der vorliegenden Arbeit werden Studien an Adsorbaten (Molekülen und Atomen) auf Metallund isolierenden Substraten mittels Rastersondenmikroskopie und –spektroskopie präsentiert. Am System Cu/Cu(111) werden Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop, genauer der Kelvin- Kraftspektroskopie an elektronischen Oberflächenzuständen durchgeführt. Mit Hilfe von Simulationen werden Quantenresonatoren ...
Abstract (German)
In der vorliegenden Arbeit werden Studien an Adsorbaten (Molekülen und Atomen) auf Metallund
isolierenden Substraten mittels Rastersondenmikroskopie und –spektroskopie präsentiert.
Am System Cu/Cu(111) werden Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop, genauer der Kelvin-
Kraftspektroskopie an elektronischen Oberflächenzuständen durchgeführt. Mit Hilfe von
Simulationen werden Quantenresonatoren entwickelt, welche eine Messung dieser
Oberflächenzustände ermöglichen sollen. Umfassende kraftspektroskopische Messungen an
den so optimierten und im Experiment umgesetzten Strukturen zeigen im Vergleich mit den
Simulationen gute Übereinstimmung. Es zeigt sich jedoch auch, dass die beobachteten Effekte
an der Grenze der Nachweisbarkeit liegen.
Beim Ladungstransport über eine Grenzfläche zwischen einem Metall und einem organischen
Halbleiter spielen die Grenzflächendipole eine entscheidende Rolle. Solche Grenzflächendipole
werden hier am Modellsystem Ir(ppy)3/Cu(111) untersucht. Diese Moleküle spielen in der
organischen (Opto-)Elektronik eine große Rolle. Rastertunnelmikroskopische Aufnahmen
ermöglichen eine geometrische Zuordnung unterschiedlicher Isomere dieses Moleküls und
kraftspektroskopische Untersuchungen zur Quantifizierung des Dipols zeigen neue Erkenntnisse
zu seiner Ausrichtung für die verschiedenen Isomere.
Metall-organische Verbindungen werden in der Literatur grundsätzlich Koordinationsnetzwerke
genannt. Der Begriff der Koordination ist in der Chemie dabei wohldefiniert. Hier ist die Fähigkeit
der Metall-Atome entscheidend, Ladungen der Liganden (freie Elektronenpaare) aufzunehmen.
Mittels Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskopie sowie mittels theoretischer Modelle und
Simulationen wird hier das Bindungsmotiv metall-organischer Komplexe auf
Metalloberflächen eingehend untersucht. Wir beobachten im System Cu+Phenazin/Cu(111)
allerdings einen gegenläufigen Ladungstransfer – vom Metall zum Molekül – einhergehend mit
einer Verbreiterung und teilweisen Bevölkerung molekularer Grenzorbitale. Dies weist auf eine
kovalente Bindung im herkömmlichen donation/back-donation Prinzip hin und schließt
koordinative Bindungsmotive aus.
Um künftig Experimente an magnetischen Molekülen zu ermöglichen, wird der Aufbau eines
Spin-aufgelösten Rastertunnelmikroskops für Temperaturen unter 2 K sowie für Magnetfelder
von bis zu 9 T beschrieben. Diese Anlage war bereits in einer ersten Version aufgebaut, jedoch
mussten unter anderem im Bereich des Mikroskopkopfes einige konzeptionelle Änderungen
geplant, umgesetzt und getestet werden. Diese Anlage befindet sich derzeit in einem weiteren
Test, auf welchen – bei positivem Ausgang – erste Experimente an magnetischen Strukturen
folgen werden.
Die Entwicklung eines neuen Konzepts der Rastermikroskopie, genannt einzel-Elektronen
alternierend ladendes Rastertunnelmikroskop (kurz „AC-STM????), ermöglicht erstmals
rastertunnelmikroskopische Aufnahmen molekularer Orbitale von vollständig isolierten
Molekülen unter Kontrolle des Redox-Übergangs. Dabei tunnelt ein einzelnes Elektron zwischen
einer leitfähigen, geerdeten Spitze und einem Molekül hin und her, wobei netto kein
Ladungstransfer stattfindet. Auf die für Rastertunnelaufnahmen benötigten leitfähigen
Substrate kann somit verzichtet werden. Am System Pentacen/NaCl wird die Machbarkeit
dieser Technik demonstriert und am Maßstab bisheriger Rastertunnelabbildungen bewertet.
Aus dieser neuartigen Methode ergeben sich vollkommen neue Möglichkeiten. Einzelne RedoxÜbergänge
kontrolliert abbilden zu können, wird anhand der Ausprägung des Jahn-Teller Effekts
im System Cu-Phthalocyanin/NaCl gezeigt. Weiter wird die Lokalisierung molekularer Orbitale
durch statische Polaronen an einer tetrathiafulvalen-Verbindung auf NaCl untersucht. Ebenfalls
am System Cu-Phthalocyanin/NaCl werden durch Umladungen hervorgerufene Änderungen des
Adsorptionswinkels beobachtet. Weiter kann diese Technik mit herkömmlichen
rasterkraftmikroskopischen Methoden kombiniert werden, um neben elektronischen auch
geometrische Informationen zu erhalten. Diesbezüglich werden Ladungsinjektionen an
Phenylketten auf NaCl untersucht. Es kann festgestellt werden, dass die molekularen Orbitale
geladener Spezies stark lokalisiert sind und geometrische Änderungen dieser Ketten ebenfalls
nur lokal zu beobachten sind. Zuletzt wird demonstriert, wie am System Cu-Phthalocyanin/NaCl
auch höhere Ladungszustände nach Injektion zweier zusätzlicher Elektronen untersucht und die
jeweiligen elektronischen Übergänge abgebildet werden können.
Translation of the abstract (English)
In this thesis investigations of adsorbates (molecules and atoms) on metal and insulating substrates by means of scanning probe microscopy and spectroscopy is presented. Electronic surface states are studied by means of atomic force microscopy and Kelvin force spectroscopy on Cu/Cu(111). Using comprehensive simulations, optimized quantum resonators are developed to facilitate the ...
Translation of the abstract (English)
In this thesis investigations of adsorbates (molecules and atoms) on metal and insulating
substrates by means of scanning probe microscopy and spectroscopy is presented.
Electronic surface states are studied by means of atomic force microscopy and Kelvin force
spectroscopy on Cu/Cu(111). Using comprehensive simulations, optimized quantum resonators
are developed to facilitate the investigation of these surface states. Extensive force
spectroscopy measurements carried out on these experimentally implemented quantum
resonators show good agreement with the simulations.
Charge transport across interfaces between metal and organic semiconductors is likewise
governed by interface dipoles. Herein, interface dipoles are inspected for the model system
Ir(ppy)3/Cu(111). These molecules are important for organic (opto-)electronics. Scanning
tunneling microscopy facilitates the geometric assignment of different molecular isomers and
atomic force spectroscopy for quantifying this dipole reveals new insight on their alignment for
the different isomers.
Metal-organic compounds are generally called coordination networks throughout the literature.
The term coordination, however, is well defined in chemistry. Here, the metal center????s ????apa????ilit????
of a????????epti????g the liga????d????s ????lo????e pair???? ele????tro????s is of ????ru????ial i????porta????????e. Usi????g a ????o????????i????atio???? of
atomic force and scanning tunneling microscopy accompanied by theoretical modelling and
simulations, the bonding motif of metal-organic compounds on metal surfaces is extensively
studied. For the system Cu+phenazine/Cu(111), we observe charge transfer into the opposite
direction – from metal to molecule – in combination with a broadening and partial population
of the frontier molecular orbitals. This points towards a common covalent bond in the
donation/back-donation picture and rules out coordinative bonding motifs.
To further accomplish experiments on magnetic molecules the built-up of a spin-polarized
scanning tunneling microscope running at temperatures below 2 K and magnetic fields up to
9 T is impelled. While a first version of this facility was built when starting my doctoral studies, the ????i????ros????ope????s s????a????????i????g head and other parts had to be conceptually redesigned, refurbished
and tested. This facility is currently under extensive tests which – in case of positive outcome –
will be followed by first experiments on magnetic structures.
The development of a conceptually new scanning probe technique, called single-electron
alternate charging scanning tunneling microscopy (????AC-STM????) allows for the first time scanning
tunneling microscopy imaging of molecular orbitals of fully isolated molecules while retaining
full control over the redox transition. A single electron tunnels forth and back between a
conductive grounded tip and a molecule, while no net current flows. Thus, in contrast to
conventional scanning tunneling experiments, no conductive substrates are needed. As a testcase,
the system pentacene/NaCl demonstrates the proof of concept of this technique and is
evaluated by the scale of previous scanning tunneling experiments. This novel method opens up
new possibilities. The capability of investigating single redox-transitions under controlled
manner is presented by the manifestation of the Jahn-Teller effect in Cu-phthalocyanine on a
NaCl substrate. Moreover, the localization of molecular orbitals due to static polarons is studied
using tetrathiafulvalen-compounds. Variations in the adsorption angle of Cu-phthalocyanine
molecules due to charge reversal is observed. Furthermore, this technique can be combined
with common atomic force microscopy methods to receive electronic as well as geometric
information. Here, effects of charge injection on phenyl chains adsorbed on NaCl substrates are
investigated. While observing charge localization in AC-STM, geometric changes of these chains
are likewise localized. Finally, achieving higher charge states after injecting two electrons into
Cu-phthalocyanine molecules on NaCl substrates enables imaging of higher electronic
transitions.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 18:43
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