Frequenzmodulierte Rasterkraftmikroskopie an organischen Molekülen

Fendrich, Markus

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschiedenen Untersuchungen organischer Moleküle auf Oberflächen. Diese wurden mit Hilfe der frequenzmodulierten Rasterkraftmikroskopie (FM-AFM) durchgeführt, einer Rastersondenmethode, die auch die Abbildung von Isolator-Oberflächen mit hoher Ortsauflösung erlaubt. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem gleichzeitig mit der Topographie aufgezeichneten Dämpfungssignal. Die für die Dämpfung verantwortlichen Mechanismen auf Grund einer nicht konservativen Wechselwirkung zwischen Messspitze und Probe werden diskutiert. Die Messungen werden ergänzt durch Rechnungen und Simulationen mit Hilfe empirischer Potentiale. Bei der Untersuchung eines prototypischen organischen Halbleitermoleküls, 3,4,9,10-Perylen-Tetrakarbonsäure-Dianhydrid (PTCDA) auf KBr(001) wird Inselwachstum von Molekülkristalliten auf der Oberfläche festgestellt. Die Moleküle der obersten Kristalllage können sowohl im Topographie- als auch im Dämpfungssignal einzeln aufgelöst werden. Ein Mechanismus für die Dämpfung wird vorgeschlagen und durch Rechnungen belegt. Für PTCDA wird mit Hilfe empirischer Potentiale die Ehrlich-Schwoebel-Barriere berechnet, d.h. die zusätzliche Diffusionsbarriere für ein Molekül bei Überquerung einer Stufenkante. Diese Barriere ist ein wichtiger Parameter für die Kinetik des Kristallwachstums, die gefundenen Energiebarrieren stehen im Einklang mit indirekten experimentellen Hinweisen, die einen starken Ehrlich-Schwoebel-Effekt für PTCDA vermuten lassen. Das Wachstum eines dem PTCDA ähnlichen organischen Moleküls, N,N'-Dimethyl-Perylen-3,4,9,10-bis(dicarboximid) (DiMe-PTCDI) wird auf KBr(001) und NaCl(001) untersucht. Die Moleküle arrangieren sich auf diesen Substraten zu drahtartigen Strukturen, die Drähte folgen der [110]-Substratrichtung. Auf KBr sind die Drähte sehr mobil, auf NaCl wesentlich stabiler. Rechnungen und Monte-Carlo-Simulationen werden präsentiert, sie können hier zum tiefergehenden Verständnis der experimentellen Beobachtungen beitragen. Für PTCDA auf Ag(111) kann submolekularer Kontrast im Topographie- und Dämpfungssignal erzielt werden. Insbesondere für die erhöhte Dämpfung an den funktionellen Gruppen der Moleküle wird im Licht der Experimente und Rechnungen anderer Forschergruppen eine überzeugende Erklärung gegegeben: Vorgeschlagen wird ein spitzeninduziertes Aufbrechen der chemischen Bindung der funktionellen Gruppen zum Substrat und eine kurzfristige Bindung an die Spitze.

The thesis presents several studies of organic molecules on surfaces by means of frequency modulation atomic force microscopy (FM-AFM), a scanning probe technique enabling especially the imaging of insulating surfaces with high lateral resolution. This work focuses on the damping signal which can be recorded simultaneously with topography. The mechanisms responsible for the damping due to non-conservative interaction of the measuring tip and the sample are discussed. Additional information on the studied systems is achieved by calculations and simulations based on empirical potentials. For the prototypical organic semiconductor molecule, 3,4,9,10-perylene-tetra-carboxylic-dianhydride (PTCDA), on KBr(001), island growth of molecular crystallites is found. Single molecules of the topmost molecular layer can be resolved in topography as well as in the damping signal. A mechanism for the damping is presented and supported by calculations. For PTCDA, the Ehrlich-Schwoebel barrier is calculated by means of empirical potentials, i.e., the additional energetic diffusion barrier for a molecule crossing a step edge. This barrier is an important parameter for the kinetics of crystal growth. The energy barriers found are consistent with indirect experimental evidence indicating a strong Ehrlich-Schwoebel effect for PTCDA. The growth of an organic molecule similar to PTCDA, N,N'-dimethyl perylene-3,4,9,10-bis(dicarboximide) (DiMe-PTCDI), is studied on KBr(001) and NaCl(001). On these substrates, the molecules form wire-like structures aligned with the [110] substrate direction. The wires are very mobile on KBr and essentially more stable on NaCl. Calculations and Monte-Carlo simulations are presented, helping to understand the experimental observations. For PTCDA on Ag(111), sub-molecular contrast can be achieved in topography and damping signal. In particular for the enhanced damping at the functional groups of the molecules, a convincing explanation is given in the light of experiments and calculation of other groups: A tip-induced breaking of the chemical bond of the functional groups to the substrate and a temporary bond to the tip is proposed.

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Fendrich, Markus: Frequenzmodulierte Rasterkraftmikroskopie an organischen Molekülen. 2008.

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