| License: Creative Commons Attribution 4.0 (14MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-516277
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.51627
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 13 February 2023 |
| Referee: | PD Dr. Alfred John Weymouth |
| Date of exam: | 28 January 2022 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Giessibl > Group Franz J. Giessibl |
| Keywords: | Rasterkraftmikroskopie, Rastertunnelmikroskopie, PTCDA, CuPc, Energiedissipation, Amplitudenkalibrierung, AFM, STM, LFM |
| 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: | 51627 |
Abstract (English)
This thesis presented high-precision normal atomic force microscopy, scanning tunneling microscopy, and lateral force microscopy measurements of organic molecules on metal surfaces with CO terminated tips and metal tips. The interaction mechanism which is responsible for the AFM and STM contrast formation was analyzed in detail for different tip-sample distances. In section 2.2.4 a modification ...
Abstract (English)
This thesis presented high-precision normal atomic force microscopy, scanning tunneling microscopy, and lateral force microscopy measurements of organic molecules on metal surfaces with CO terminated tips and metal tips. The interaction mechanism which is responsible for the AFM and STM contrast formation was analyzed in detail for different tip-sample distances.
In section 2.2.4 a modification of the probe particle model to simulate LFM images was presented, which supported the interpretation of LFM images.
In section 3.2 a self-built molecular evaporated was described, which was required to deposite PTCDA and CuPc molecules on the samples.
In section 3.5 an Euler-Bernoulli theory method was described to calculate the stiffness of an LFM sensor with a simplified tip.
In chapter 4 a method to determine the amplitude and tilt of an LFM sensor was presented. Existing amplitude calibration methods are not applicable for mechanically excited LFM sensors at low temperature. Knowing the oscillation amplitude is important for calculating the energy dissipation and for the force and energy deconvolution. A full two-dimensional current map of the STM data without oscillation was used to simulate data for a given amplitude and tilt. Finally, the amplitude and tilt were determined by fitting the simulation output to the data with oscillation. A fitting algorithm and the accuracy of the method were discussed as well.
In chapter 5 the atomic configuration of the tip apex of metal tips is investigated using normal AFM and STM with CO on Pt(111). When scanning very close over a CO molecule, the frontmost atoms of the tip can be individually resolved in both the AFM image and in the STM image. This is in contrast to previous work where CO was adsorbed on a different substrate: Cu(111). In this previous study, individual atoms could not be observed in the raw STM image but only in AFM. The the mechanisms behind the higher spatial resolution in STM is discussed.
In chapter 6 an isolated CO on Pt(111) with a CO terminated tip is investigated with normal AFM and STM. AFM and STM images were discussed as well as the potential energy between the surface and tip CO. The correlation between conductance features in the STM image of a group of 5 CO molecules and the CO bending of the CO tip was demonstrated by a probe particle simulation from which a map of bending angles of the probe particle was calculated. Then the conductance z spectra of an isolated CO at different lateral positions were discussed. These conductance spectra were simulated by a combined hard sphere and tight binding model. Furher, density functional theory calculations were performed by Vladislav Pokorny ́.
In chapter 7 the adsorption geometry and conductance near the Fermi energy of CuPc and PTCDA molecules in mixed phases with different stoichiometries on Ag(111) were investigated with LFM and STM as well as a single CuPc molecule close to different numbers of PTCDA molecules on Cu(111). On Ag(111) in the P2C mixed phase the LFM image indicates a flat adsorption geometry of the CuPc and PTCDA molecules and in the STM image the molecules showed similar relative conductance. In the P4C2 mixed phase the CuPc molecules exhibit an increased conductance relative to the PTCDA molecules. Furthermore, the influence of close PTCDA molecules on the adsorption geometry and conductance of single CuPc molecules on Cu(111) were analyzed as well as the rotation direction of CuPc relative to the Cu(111) atomic surface lattice.
In chapter 8 the energy dissipation at PTCDA and CuPc molecules was investigated with a CO terminated tip. The dissipated energy of the CO tip at the C-C bond of a PTCDA molecule is explained by a model described in Ref. [25]. Excitation images taken between PTCDA molecules, at the CuPc lobe, and between a PTCDA and CuPc molecule were shown. The maximum energy dissipation as a function of z was analyzed for different CO tips at the C-C bond of a PTCDA molecule, between the hydrogen atom of one PTCDA and the oxygen atom of another PTCDA, at the C-C bond of the CuPc lobe, and between the oyxgen side of a PTCDA molecule and a CuPc lobe.
Translation of the abstract (German)
In dieser Arbeit wurden hochpräzise Rasterkraftmikroskopie-, Rastertunnelmikroskopie- und Lateralkraftmikroskopie-Messungen von organischen Molekülen auf Metalloberflächen mit CO-terminierten Spitzen und Metallspitzen vorgestellt. Der Wechselwirkungsmechanismus, der für die AFM- und STM-Kontrastbildung verantwortlich ist, wurde für verschiedene Spitzen-Probenabstände im Detail analysiert. In ...
Translation of the abstract (German)
In dieser Arbeit wurden hochpräzise Rasterkraftmikroskopie-, Rastertunnelmikroskopie- und Lateralkraftmikroskopie-Messungen von organischen Molekülen auf Metalloberflächen mit CO-terminierten Spitzen und Metallspitzen vorgestellt. Der Wechselwirkungsmechanismus, der für die AFM- und STM-Kontrastbildung verantwortlich ist, wurde für verschiedene Spitzen-Probenabstände im Detail analysiert.
In Abschnitt 2.2.4 wurde eine Modifikation des Sondenpartikelmodells zur Simulation von LFM-Bildern vorgestellt, die die Interpretation der LFM-Bilder unterstützt.
In Abschnitt 3.2 wurde ein selbstgebauter Molekularverdampfer beschrieben, der für die Ablagerung von PTCDA- und CuPc-Molekülen auf den Proben erforderlich war.
In Abschnitt 3.5 wurde eine Methode der Euler-Bernoulli-Theorie zur Berechnung der Steifigkeit eines LFM-Sensors mit einer vereinfachten Spitze beschrieben.
In Kapitel 4 wurde eine Methode zur Bestimmung der Amplitude und Neigung eines LFM-Sensors vorgestellt. Bestehende Amplitudenkalibrierungsmethoden sind für mechanisch angeregte LFM-Sensoren bei niedrigen Temperaturen nicht anwendbar. Die Kenntnis der Schwingungsamplitude ist wichtig für die Berechnung der Energiedissipation und für die Kraft- und Energieentfaltung. Eine vollständige zweidimensionale Stromkarte der STM-Daten ohne Oszillation wurde zur Simulation der Daten für eine bestimmte Amplitude und Neigung verwendet. Schließlich wurden Amplitude und Neigung durch Anpassung der Simulationsergebnisse an die Daten mit Oszillation bestimmt. Ein Anpassungsalgorithmus und die Genauigkeit der Methode wurden ebenfalls diskutiert.
In Kapitel 5 wird die atomare Konfiguration des Apex von Metallspitzen mit normalem AFM und STM mit CO auf Pt(111) untersucht. Wenn man sehr nah über ein CO-Molekül scannt, können die vordersten Atome der Spitze sowohl im AFM-Bild als auch im STM-Bild einzeln aufgelöst werden. Dies steht im Gegensatz zu früheren Arbeiten, bei denen CO auf einem anderen Substrat adsorbiert wurde: Cu(111). In dieser früheren Studie konnten einzelne Atome nicht im STM-Rohbild, sondern nur im AFM-Bild beobachtet werden. Die Mechanismen, die hinter der höheren räumlichen Auflösung des STM stehen, werden diskutiert.
In Kapitel 6 wird ein isoliertes CO auf Pt(111) mit einer CO-terminierten Spitze mit normalem AFM und STM untersucht. AFM- und STM-Bilder wurden ebenso diskutiert wie die potentielle Energie zwischen der Oberfläche und der CO-Spitze. Die Korrelation zwischen Leitwertmerkmalen im STM-Bild einer Gruppe von 5 CO-Molekülen und der CO-Biegung der CO-Spitze wurde durch eine Probe-Particle-Simulation nachgewiesen, aus der eine Karte der Biegewinkel des Sondenpartikels berechnet wurde. Anschließend wurden die z-Leitwertspektren eines isolierten CO an verschiedenen seitlichen Positionen diskutiert. Diese Leitwertspektren wurden mit einem kombinierten Modell aus Hard Sphere und Tight Binding simuliert. Des Weiteren wurden Dichtefunktionaltheorieberechnungen von Vladislav Pokorny ́ durchgeführt.
In Kapitel 7 wurden die Adsorptionsgeometrie und der Leitwert in der Nähe der Fermi-Energie von CuPc- und PTCDA-Molekülen in gemischten Phasen mit unterschiedlichen Stöchiometrien auf Ag(111) mit LFM und STM untersucht, sowie ein einzelnes CuPc-Molekül in der Nähe einer unterschiedlichen Anzahl von PTCDA-Molekülen auf Cu(111). Auf Ag(111) in der P2C-Mischphase zeigt das LFM-Bild eine flache Adsorptionsgeometrie der CuPc- und PTCDA-Moleküle, und im STM-Bild zeigen die Moleküle eine ähnliche relative Leitfähigkeit. In der P4C2-Mischphase weisen die CuPc-Moleküle einen erhöhten Leitwert im Vergleich zu den PTCDA-Molekülen auf. Darüber hinaus wurde der Einfluss von nahe beieinander liegenden PTCDA-Molekülen auf die Adsorptionsgeometrie und den Leitwert einzelner CuPc-Moleküle auf Cu(111) sowie die Rotationsrichtung von CuPc relativ zum Cu(111)-Atomoberflächengitter analysiert.
In Kapitel 8 wurde die Energiedissipation an PTCDA- und CuPc-Molekülen mit einer CO-terminierten Spitze untersucht. Die dissipierte Energie der CO-Spitze an der C-C-Bindung eines PTCDA-Moleküls wird durch ein Modell erklärt, beschrieben in Ref. [25]. Es wurden Anregungsbilder zwischen PTCDA-Molekülen, an der CuPc-Flügel und zwischen einem PTCDA- und einem CuPc-Molekül gezeigt. Die maximale Energiedissipation als Funktion von z wurde für verschiedene CO-Spitzen an der C-C-Bindung eines PTCDA-Moleküls, zwischen dem Wasserstoffatom eines PTCDA und dem Sauerstoffatom eines anderen PTCDA, an der C-C-Bindung der CuPc-Keule und zwischen der Sauerstoffseite eines PTCDA-Moleküls und einer CuPc-Keule analysiert.
Metadata last modified: 13 Feb 2023 07:50
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