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Organic semiconductor interfaces with insulators and metals


Müller, Kathrin. Organic semiconductor interfaces with insulators and metals. 2009, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Die elektronischen Wechselwirkungen von organischen Halbleitern nach der Selbstanordnung auf Metallen, oxidierten Metallen und ultradünnen Isolatoroberflächen wurden mit Hilfe von komplementären Messmethoden wie Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie, Beugung niederenergetischer Elektronen, Röntgenphotoelektronen und Ultraviolett Photoelektronen Spektroskopie untersucht. Zwei verschiedene Modellsysteme wurden ausgewählt und untersucht: Das erste Modellsystem umfasst die elektronischen Wechselwirkungen und die Selbstanordnung von Pentacen auf der Cu(110) sowie auf der oxidierten Cu(110) Oberfläche. In einem zweiten Modellsystem wurde die Grenzfläche zwischen Octaethylporphyrin und ultradünnen Isolatorschichten untersucht. Die Adsorption von Molekülen auf Isolatoroberflächen ist von besonderer Bedeutung, da diese sowohl die elektronischen als auch die chemischen Wechselwirkungen der Moleküle mit der Oberfläche deutlich reduzieren können. Bei der Untersuchung von Pentacen auf Cu(110) konnte ein komplexes Phasen-Verhalten beobachtet werden, das durch Verbiegen der Moleküle, unterschiedliche Anordnung der Moleküle, unterschiedliche Bedeckungen und die Molekülmobilität charakterisiert ist. Weiterhin wurde der Einfluss der adsorbierten Pentacen-Moleküle auf den Shockley- Oberflächenzustand der Cu(110) Oberfläche untersucht. Durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer physikalischer Phänomene wie die Pauli Abstossung, Ladungstransfer, Hybridisierung von elektronischen Zuständen sowie die Polarisation der Adsorbate im Dipolfeld der Oberfläche wird der Oberflächenzustand zu grösseren Bindungsenergien verschoben. Bei der Adsorption einer Monolage Pentacen nimmt zusätzlich die Besetzung des Oberflächenzustandes zu. Ein ähnlich komplexes Verhalten von Struktur und elektronischen Wechselwirkungen wurde bislang für kein anderes Molekül/Metall System gezeigt. Das Adsorptionsverhalten von Pentacen auf der oxidierten Cu(110) Oberfläche zeigt, dass sowohl die elektronischen Wechselwirkungen als auch die Oberflächenkorrugation eine grosse Rolle bei der Selbstanordnung spielen. Das zweite in dieser Dissertation studierte Modellsystem befasste sich mit den elektronischen Wechselwirkungen von Kupfer-Octaethylporphyrinen (CuOEP) mit ultradünnen Isolatorschichten. Die Hauptfragestellung bei diesem Projekt war, wie die elektronische Wechselwirkung zwischen Molekülen und Substrat mit zunehmender Isolatorschichtdicke abnimmt und ob es bei sehr geringen Schichtdicken (eine oder zwei Monolagen) möglich ist, die Moleküle vom Substrat elektrisch zu isolieren. Eine detaillierte Wachstumsstudie von NaCl auf unterschiedlichen Metallsubstraten führte zu homogenen, eine Monolage dicken NaCl Filmen, die mit nicht-lokalen Analyse-Methoden wie UPS und XPS untersucht werden können. Mittels Tieftemperatur STM und winkelaufgelöstem UPS konnte festgestellt werden, dass die Moleküle stark mit der Cu(111) und Ag(111) Oberfläche wechselwirken, was zu unbesetzten elektronischen Zuständen in der Bandlücke des Moleküls sowie zu einer Auslöschung des Shockley-Oberflächenzustandes führt. UPS- und XPS- Messungen an diesem System zeigten einen starken Einfluss der chemischen Umgebung, was zu einer Verschiebung der Bindungsenergien von CuOEP auf NaCl verglichen mit CuOEP auf der Metalloberfläche führt. Diese Verschiebungen können auf eine unterschiedliche Abschirmung des Photoloches zurückgeführt werden. The electronic interactions of self-assembled organic semiconductors with metals, metal-oxides and ultrathin insulator surfaces have been investigated by complementary analysis techniques comprising scanning tunnelling microscopy and spectroscopy, low energy electron diffraction, x-ray photoelectron spectroscopy and ultraviolet photoelectron spectroscopy. Two model systems have been chosen and investigated: The first model system comprises the electronic interactions and the self-assembly of pentacene molecules on the Cu(110) as well as on the oxidized Cu(110) surface. In a second model system the interface of octa-ethyl porphyrins with ultrathin insulator films and metals has been investigated. The adsorption of molecules on insulator surfaces is especially interesting due to the strong reduction of the electronic and chemical interactions between the molecules and the substrate. The investigation of pentacene on the Cu(110) surface revealed a multi-phase behaviour, which is characterized by molecular bending, molecular mobility, different relative orientation of the molecules and different packing densities. Furthermore, the influence of the adsorbate layer on the Shockley surface state of the Cu(110) has been investigated. A complex interplay of different phenomena, like Pauli repulsion, charge transfer, mixing and hybridization of electronic states as well as the polarization of the organic adsorbate in the surface dipolar field, lead to a shift of the surface state to higher binding energies. Additionally, the occupation of the surface state is increased for the adsorption of one monolayer of pentacene. This particular behaviour has not been reported for any other molecular/metal system so far. The adsorption of pentacene on the oxidized Cu(110) surface reveals that the electronic interactions and the surface corrugation determine the self-assembly of the molecular ad-layer. The second project in this thesis comprises the electronic interactions of porphyrin molecules, another representative of molecular semiconductors, with ultrathin insulator layers. The main question here was how the electronic interactions between the molecules and the substrate change with increasing insulator thickness and whether it is possible to electronically decouple the molecules from the substrate for one or two monolayer thin insulator films. A detailed growth study of NaCl on different metal surfaces led to samples, which were homogenously covered with 1 ML of NaCl and thus could be investigated by non-local analysis techniques like UPS and XPS. Low temperature STS and angle-resolved UPS data showed that the CuOEP molecules strongly interact with the Cu(111) and Ag(111) substrate leading to unoccupied electronic states in the band gap of the molecule on Ag(111) and to quenching of the Shockley surfaces state for the adsorption of CuOEP on Cu(111). Further UPS and XPS measurements revealed a strong influence of the chemical environment on the binding energies, as identified by shifted peaks for CuOEP on NaCl compared to CuOEP on the metal surfaces. These peak shifts have been related to strong screening of the photoelectron hole.

Abstract

Die elektronischen Wechselwirkungen von organischen Halbleitern nach der Selbstanordnung auf Metallen, oxidierten Metallen und ultradünnen Isolatoroberflächen wurden mit Hilfe von komplementären Messmethoden wie Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie, Beugung niederenergetischer Elektronen, Röntgenphotoelektronen und Ultraviolett Photoelektronen Spektroskopie untersucht. Zwei verschiedene Modellsysteme wurden ausgewählt und untersucht: Das erste Modellsystem umfasst die elektronischen Wechselwirkungen und die Selbstanordnung von Pentacen auf der Cu(110) sowie auf der oxidierten Cu(110) Oberfläche. In einem zweiten Modellsystem wurde die Grenzfläche zwischen Octaethylporphyrin und ultradünnen Isolatorschichten untersucht. Die Adsorption von Molekülen auf Isolatoroberflächen ist von besonderer Bedeutung, da diese sowohl die elektronischen als auch die chemischen Wechselwirkungen der Moleküle mit der Oberfläche deutlich reduzieren können. Bei der Untersuchung von Pentacen auf Cu(110) konnte ein komplexes Phasen-Verhalten beobachtet werden, das durch Verbiegen der Moleküle, unterschiedliche Anordnung der Moleküle, unterschiedliche Bedeckungen und die Molekülmobilität charakterisiert ist. Weiterhin wurde der Einfluss der adsorbierten Pentacen-Moleküle auf den Shockley- Oberflächenzustand der Cu(110) Oberfläche untersucht. Durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer physikalischer Phänomene wie die Pauli Abstossung, Ladungstransfer, Hybridisierung von elektronischen Zuständen sowie die Polarisation der Adsorbate im Dipolfeld der Oberfläche wird der Oberflächenzustand zu grösseren Bindungsenergien verschoben. Bei der Adsorption einer Monolage Pentacen nimmt zusätzlich die Besetzung des Oberflächenzustandes zu. Ein ähnlich komplexes Verhalten von Struktur und elektronischen Wechselwirkungen wurde bislang für kein anderes Molekül/Metall System gezeigt. Das Adsorptionsverhalten von Pentacen auf der oxidierten Cu(110) Oberfläche zeigt, dass sowohl die elektronischen Wechselwirkungen als auch die Oberflächenkorrugation eine grosse Rolle bei der Selbstanordnung spielen. Das zweite in dieser Dissertation studierte Modellsystem befasste sich mit den elektronischen Wechselwirkungen von Kupfer-Octaethylporphyrinen (CuOEP) mit ultradünnen Isolatorschichten. Die Hauptfragestellung bei diesem Projekt war, wie die elektronische Wechselwirkung zwischen Molekülen und Substrat mit zunehmender Isolatorschichtdicke abnimmt und ob es bei sehr geringen Schichtdicken (eine oder zwei Monolagen) möglich ist, die Moleküle vom Substrat elektrisch zu isolieren. Eine detaillierte Wachstumsstudie von NaCl auf unterschiedlichen Metallsubstraten führte zu homogenen, eine Monolage dicken NaCl Filmen, die mit nicht-lokalen Analyse-Methoden wie UPS und XPS untersucht werden können. Mittels Tieftemperatur STM und winkelaufgelöstem UPS konnte festgestellt werden, dass die Moleküle stark mit der Cu(111) und Ag(111) Oberfläche wechselwirken, was zu unbesetzten elektronischen Zuständen in der Bandlücke des Moleküls sowie zu einer Auslöschung des Shockley-Oberflächenzustandes führt. UPS- und XPS- Messungen an diesem System zeigten einen starken Einfluss der chemischen Umgebung, was zu einer Verschiebung der Bindungsenergien von CuOEP auf NaCl verglichen mit CuOEP auf der Metalloberfläche führt. Diese Verschiebungen können auf eine unterschiedliche Abschirmung des Photoloches zurückgeführt werden. The electronic interactions of self-assembled organic semiconductors with metals, metal-oxides and ultrathin insulator surfaces have been investigated by complementary analysis techniques comprising scanning tunnelling microscopy and spectroscopy, low energy electron diffraction, x-ray photoelectron spectroscopy and ultraviolet photoelectron spectroscopy. Two model systems have been chosen and investigated: The first model system comprises the electronic interactions and the self-assembly of pentacene molecules on the Cu(110) as well as on the oxidized Cu(110) surface. In a second model system the interface of octa-ethyl porphyrins with ultrathin insulator films and metals has been investigated. The adsorption of molecules on insulator surfaces is especially interesting due to the strong reduction of the electronic and chemical interactions between the molecules and the substrate. The investigation of pentacene on the Cu(110) surface revealed a multi-phase behaviour, which is characterized by molecular bending, molecular mobility, different relative orientation of the molecules and different packing densities. Furthermore, the influence of the adsorbate layer on the Shockley surface state of the Cu(110) has been investigated. A complex interplay of different phenomena, like Pauli repulsion, charge transfer, mixing and hybridization of electronic states as well as the polarization of the organic adsorbate in the surface dipolar field, lead to a shift of the surface state to higher binding energies. Additionally, the occupation of the surface state is increased for the adsorption of one monolayer of pentacene. This particular behaviour has not been reported for any other molecular/metal system so far. The adsorption of pentacene on the oxidized Cu(110) surface reveals that the electronic interactions and the surface corrugation determine the self-assembly of the molecular ad-layer. The second project in this thesis comprises the electronic interactions of porphyrin molecules, another representative of molecular semiconductors, with ultrathin insulator layers. The main question here was how the electronic interactions between the molecules and the substrate change with increasing insulator thickness and whether it is possible to electronically decouple the molecules from the substrate for one or two monolayer thin insulator films. A detailed growth study of NaCl on different metal surfaces led to samples, which were homogenously covered with 1 ML of NaCl and thus could be investigated by non-local analysis techniques like UPS and XPS. Low temperature STS and angle-resolved UPS data showed that the CuOEP molecules strongly interact with the Cu(111) and Ag(111) substrate leading to unoccupied electronic states in the band gap of the molecule on Ag(111) and to quenching of the Shockley surfaces state for the adsorption of CuOEP on Cu(111). Further UPS and XPS measurements revealed a strong influence of the chemical environment on the binding energies, as identified by shifted peaks for CuOEP on NaCl compared to CuOEP on the metal surfaces. These peak shifts have been related to strong screening of the photoelectron hole.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Osterwalder Jürg
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:530 Physics
Uncontrolled Keywords:Halbleitergrenzfläche, Organischer Halbleiter
Language:English
Place of Publication:Göttingen
Date:2009
Deposited On:06 Mar 2010 14:43
Last Modified:08 Feb 2019 14:51
Publisher:Cuvillier
Number of Pages:95
ISBN:978-3-86955-118-0
Additional Information:Enthält Sonderdrucke
OA Status:Green
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