Die Methode der Reaktiven Abscheidung wurde benutzt, um zu untersuchen ob und in welcher Weise das Silicidwachstum mittels einer Monolage aus Sb, d.h. mittels eines surfactant (surface active agent), gesteuert werden kann. Hierzu wurden unter UHV-Bedingungen die Metalle Mn, Ti und Ni auf geheizte Si(001) bzw. Si(001)-Sb Substrate abgeschieden. Die Probenanalyse erfolgte durch LEED, RBS, XRD, SEM, TEM und AFM. Die Theorie zum surfactant-gesteuerten Wachstum wird vorgestellt und auf das System des reaktiven Silicidwachstums übertragen. Die Probenanalysen zeigen, dass eine Monolage von Sb in der Lage ist das Wachstum der drei untersuchten Silicide zu beeinflussen. Für das System der Höheren Mangansilicide kommt es zu einer Erhöhung der Inseldichte um bis zu zwei Größenordnungen und zu Änderungen in den Orientierungsbeziehungen der Silicidinseln. Beim Wachstum der Titansilicidschichten konnte durch das surfactant die pinhole-Bildung unterdrückt werden. Das dritte untersuchte Silicid ist das Nickeldisilicid. In diesem Fall wird der Ort der Keimbildung von der Si-Oberfläche in das Volumen des Si-Substrates verschoben, d.h. die Oberfläche wird vollständig passiviert, zusätzlich treten neue Orientierungsbeziehungen auf.

The growth of the Si(001) surface from gas sources such as disilane is technologically important, as well as scientifically interesting. The aspects of growth covered are: the clean surface, its defects and steps; the action of bismuth, a surfactant; the diffusion behaviour of hydrogen in different environments; and the entire pathway for formation of a new layer of silicon from adsorption of fragments of disilane to nucleation of dimer strings. The theoretical methods used, density functional theory and tight binding, are described. Four linear scaling tight binding methods are compared. The construction of the tight binding parameterisations used is also explained. The structure of the most common defect on the Si(001) surface is identified by comparison of the electronic structure with scanning tunneling microscopy (STM) images. The energy and structure of steps is calculated, and their kinking behaviour is modelled, achieving good agreement with experimental results. Two unusual features which form when bismuth is placed on the surface and annealed are investigated. The first has possible applications as a quantum wire, and its structure and growth are described. The second relates to a controversial area in the field; a structure is proposed which fits all available experimental evidence. The behaviour of hydrogen is vital to understanding growth, as large amounts are deposited during disilane growth. After validating the tight binding parameterisation against DFT and experiment for the system of a single hydrogen diffusing on the clean Si(001) surface, the barriers for diffusion on the saturated surface, down a step and away from a defect are found, and prove to be in good agreement with available experimental data. The pathway for the formation of a new layer of silicon from disilane is described step by step, giving barriers and structures for all events. The interaction with experiment is highlighted, and demonstrates that great benefit accrues from such close work, and that the atomistic modelling techniques used in the thesis produce results in close agreement with reality.

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Spectroscopic second-harmonic generation (SHG) and reflectance-anisotropy spectroscopy (RAS) are used to probe molecular adsorption on clean reconstructed single-domain stepped Si(001) in ultra-high vacuum (UHV). We implement a simplified bond hyperpolarizability model (SBHM) as a common microscopic analysis for SHG and RAS. Three different scenarios are studied: (i) The dissociative adsorption of molecular hydrogen on dangling bonds of D[subscript B] step-edges. (ii) Structural changes to rebonded r-D[subscript B] steps induced by exposure to atomic hydrogen. (iii) The adsorption of cyclopentene on Si(001)(2x1) terrace dimers in a [2+2] cycloaddition pathway. Using the SBHM we develop a new optical fingerprinting method to isolate, identify and monitor individual types of bonds (e.g. dimers, rebonds, dangling bonds, backbonds) and their chemical activity on a single-domain stepped Si(001) surface using nonresonant, but rotationally-anisotropic, second-harmonic generation (RA-SHG). The methods presented here will be applicable to many material systems and allow to track, in-situ and in real-time, the chemical action of adsorbates on surfaces. / text

Die Methode der Reaktiven Abscheidung wurde benutzt, um zu untersuchen ob und in welcher Weise das Silicidwachstum mittels einer Monolage aus Sb, d.h. mittels eines surfactant (surface active agent), gesteuert werden kann. Hierzu wurden unter UHV-Bedingungen die Metalle Mn, Ti und Ni auf geheizte Si(001) bzw. Si(001)-Sb Substrate abgeschieden. Die Probenanalyse erfolgte durch LEED, RBS, XRD, SEM, TEM und AFM. Die Theorie zum surfactant-gesteuerten Wachstum wird vorgestellt und auf das System des reaktiven Silicidwachstums übertragen. Die Probenanalysen zeigen, dass eine Monolage von Sb in der Lage ist das Wachstum der drei untersuchten Silicide zu beeinflussen. Für das System der Höheren Mangansilicide kommt es zu einer Erhöhung der Inseldichte um bis zu zwei Größenordnungen und zu Änderungen in den Orientierungsbeziehungen der Silicidinseln. Beim Wachstum der Titansilicidschichten konnte durch das surfactant die pinhole-Bildung unterdrückt werden. Das dritte untersuchte Silicid ist das Nickeldisilicid. In diesem Fall wird der Ort der Keimbildung von der Si-Oberfläche in das Volumen des Si-Substrates verschoben, d.h. die Oberfläche wird vollständig passiviert, zusätzlich treten neue Orientierungsbeziehungen auf.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden erste Untersuchungen zur Herstellung dünner NiSi(2-x)Al(x)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)-Schichten auf Si(001) erbracht. Dazu wurden Ni-Si-Al-Schichten mittels DC-Magnetron-Sputtern sowie Ni-Si-Ga-Schichten mittels Molekular-Strahl-Epitaxie (MBE) abgeschieden und anschließend in Abhängigkeit von der Herstellungsprozedur in einer RTA-Anlage thermisch behandelt. Die so entstandenen Reaktionsschichten wurden anschließend mittels RBS charakterisiert, wobei zusätzlich REM-, TEM-, AES-Tiefenprofil- und XRD-Untersuchungen ergänzend genutzt wurden. Es zeigt sich, dass unabhängig von der Abscheideprozedur bei ausreichend hoher Temper- bzw. Substrattemperatur die thermodynamisch stabilen Endphasen NiSi(2-x)Al(x) bzw. NiSi(2-x)Ga(x) gebildet werden. Während die Bildungstemperatur bei Festphasenreaktionen ohne Al- bzw. Ga-Zugabe für NiSi2 etwa 700°C beträgt, reduziert sich diese unter Anwesenheit von Al- bzw. Ga-Atomen auf 500°C und darunter. Dabei scheinen bereits eine Al- bzw. Ga-Konzentration von unter einem Atomprozent als notwendiger Stoffmengenanteil auszureichen. Befindet sich der Ort der Keimbildung der NiSi(2-x)Al(x)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)-Kristallite an der Grenzfläche zum Si(001)-Substrat, so ist eine Änderung der bevorzugten Wachstumsorientierung von NiSi(2-x)Al(x)(001)[100] || Si(001)[100] bzw. NiSi(2-x)Ga(x)(001)[100] || Si(001)[100] (A-Typ) zu einer NiSi(2-x)Al(x)(220) || Si(001)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)(220) || Si(001)-Vorzugsorientierung festzustellen. Die dafür notwendige Konzentration von Al- bzw. Ga-Atomen scheint jedoch höher zu sein als die, die für die Erniedrigung der Bildungstemperatur notwendig ist.

Title Interaction of Organic Molecules with Metal Passivated Silicon Surfaces Studied via STM Author Petr Zimmermann Department Department of Plasma and Surface Science Supervisor Doc. RNDr. Pavel Sobotík, CSc. Department of Plasma and Surface Science Abstract Organic molecules offer a wide range of optical, electronic or chemical properties. Coupling them to silicon could pave way to novel applications and devices, however, a controlled molecular functionalization of silicon remains challenging due to the presence of highly reactive dangling bonds on its surfaces. We attempt to decrease the reactivity of low index silicon surfaces with an ultra-thin layer of a metal adsorbates and study their interaction with organic molecules via scanning tunnelling microscopy. In the first part we investigate the interaction of ethylene, a small unsaturated molecule, with tin and indium 1D chains grown on Si(001) - 2 × 1. The chains consist of dimers structurally analogous to the dimers of the underlying Si(001) - 2 × 1 surface. Aided by photoelectron spectroscopy we find that the Sn chains are less reactive than the Si(001) surface and that the absence of a π dimer bond renders indium chains inert. In the second part we study the interaction of copper phthalocyanine, a small macrocyclic heteroaromatic compound, with the...

In this thesis, I explore model systems for planar atomic and molecular scale electronics on surfaces. The nanoscale systems are experimentally investigated by combining scanning tunneling microscopy (STM) with atomic and molecular manipulation. Furthermore, the on-surface chemical synthesis of molecules, as well as the construction of atomic wires on selected surfaces is applied. Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) molecules play a key role in this work, as they can provide the functionality of the molecular scale devices. In the first part of this work, I investigate different PAH´s on the Au(111) surface. The precursor molecules form supramolecular assemblies and the on-surface synthesis approach to obtain the desired molecular products is used. In particular, bisanthene molecules via a cyclodehydrogenation reaction and the non-alternant polyaromatic hydrocarbon diindenopyrene after a thermally induced debromination followed by selective ring-closure to form a five-membered ring are obtained. An interesting surface for future applications is the passivated silicon Si(001)-(2x1):H. I prepare this surface and characterize the substrate. The surface has a band gap and molecules are electronically decoupled from the semiconducting substrate due to the passivation layer. Furthermore, atomic defects on this substrate, so called dangling bonds (DB´s), have defined electronic states. I show that it is possible to produce DB defects controllably by applying voltage pulses using the tip of the STM and achieve with this method atomic wires with DB´s. The third part of this thesis deals with the investigation of molecular structures on Si(001)-(2x1):H. I present the generation of hexacene by a surface assisted reduction. This result can be generalized for the generation of PAH´s after deoxygenation on passivated silicon and can open new routes to design functional molecules on this substrate. Secondly, one-dimensional chains of acetylbiphenyl (ABP) molecules are explored. They interact via its pi-stacked phenyl rings that are considered as conducting channel. Finally, I demonstrate that a single ABP molecule acts as a switch, as one can reversibly passivate and depassivate a single DB by a hydrogen transfer. In the last part of this work, I test the new low-temperature four-probe STM located at CEMES-CNRS in Toulouse. This machine is constructed for the development of molecular scale devices. For this purposes an atomic precision is needed for all the different tips at the same time and a high stability of this scanning probe microscope must be achieved. I perform a manipulation experiment of molecules to test the necessary submolecular precision. For that reason, supramolecular assemblies of ABP molecules on Au(111) are imaged and manipulated by any of the four tips using the lateral manipulation mode as well as by voltage pulses. The stability of the system is shown, as all tips of the four-probe STM work independently in parallel.:1 Introduction 2 Fundamentals of scanning tunneling microscopy 2.1 The working principle 2.2 Scanning tunneling spectroscopy 2.3 Manipulation modes 2.4 Modeling 3 Experimental setup, materials and methods 3.1 The scanning tunneling microscope 3.2 The Au(111) surface 3.3 Further experimental details 4 On-surface synthesis of molecules 4.1 Introduction 4.2 Generation of a periacene 4.3 Investigating a non-alternant PAH 4.4 Conclusion 5 The passivated silicon surface 5.1 Introduction 5.2 Preparation of passivated silicon 5.3 Characterization of Si(001)-(2x1):H 5.4 Tip-induced formation of dangling bonds 5.5 Conclusion 6 Organic molecules on passivated silicon 6.1 Introduction 6.2 Hexacene generated on passivated silicon 6.3 Acetylbiphenyl on passivated silicon 6.4 Conclusion 7 Testing a low temperature four-probe STM 7.1 Introduction 7.2 The four-probe STM 7.3 Performance test of the four-probe STM on Au(111) 7.4 Manipulation of ABP assemblies 7.5 Conclusion 8 Summary and outlook 9 Appendix 9.1 Dibromo-dimethyl-naphtalene on Au(111) 9.2 Epiminotetracene on Au(111) Bibliography Curriculum vitae Scientific contributions Acknowledgement Statement of authorship / In dieser Arbeit untersuche ich Modellsysteme für planare atomare und molekulare Elektronik auf Oberflächen. Die Systeme auf der Nanoskala werden experimentell durch die Kombination aus Rastertunnelmikroskopie (RTM) und atomarer sowie molekularer Manipulation untersucht. Moleküle werden durch die oberflächenchemische Synthese generiert und atomare Drähte auf ausgewählten Oberflächen hergestellt. Polyzyklisch aromatische Kohlenwasserstoff (PAK) Moleküle spielen bei dieser Arbeit eine Schlüsselrolle, da sie die passiven und aktiven Elemente auf molekularem Maßstab darstellen können. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuche ich verschiedene PAK´s auf der Au(111)-Oberfläche. Die Präkursoren bilden dabei supramolekulare Anordnungen und ich nutze die Oberflächensynthese, um die gewünschten molekulare Produkte zu erhalten. Im Speziellen habe ich Bisanthen-Moleküle über eine Zyklodehydrogenationsreaktion und das nicht-alternierende PAK Diindenopyren erzeugt. Dieses entsteht nach einer thermisch-induzierten Debromierung gefolgt von selektivem Ringschluss, sodass ein fünfgliedriger Ring gebildet wird. Eine interessante Oberfläche für zukünftige Anwendungen ist das passivierte Silizium Si(001)-(2x1):H. Ich habe diese Oberfläche erfolgreich präpariert und das Substrat charakterisiert. Die Oberfläche hat eine Bandlücke und Moleküle sind elektronisch von dem halbleitenden Substrat durch die Passivierungsschicht entkoppelt. Desweiteren haben atomare Defekte dieser Oberfläche, sogenannte Dangling-Bond´s (DB’s), definierte elektronische Zustände innerhalb der Bandlücke. Ich habe DB´s kontrolliert durch Spannungspulse mithilfe der Spitze des RTM erzeugt und stelle so atomare Drähte mit DB Defekten her. Der dritte Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Untersuchung molekularer Strukturen auf Si(001)-(2x1):H. Die Erzeugung von Hexacen auf passivierten Silizium durch eine oberflächenunterstützte Reduktion wird gezeigt. Dieses Ergebnis ist eine neue Strategie für die Herstellung von PAK´s nach der Deoxygenierung und eröffnet neue Wege um funktionelle Moleküle auf diesem Substrat zu entwerfen. Zweitens zeige ich, dass Acetylbiphenyl (ABP) Moleküle eindimensionale Ketten auf dieser Oberfläche bilden. Diese interagieren über ihre Phenylringe, welche als leitender Kanal gesehen werden können. Zudem kann ein einzelnes ABP Molekül wie ein Schalter genutzt werden, da es reversibel einzelne DB´s durch Wasserstoffübertragung passivieren und depassivieren kann. Im letzten Teil dieser Arbeit wird das neue Tieftemperatur Vier-Sonden RTM, welches sich in CEMES-CNRS in Toulouse befindet, getestet. Diese Maschine ist für die Herstellung und Untersuchung von Geräten im molekularem Maßstab konstruiert worden. Zu diesem Zweck ist eine atomare Präzision für die verschiedenen Spitzen zur gleichen Zeit erforderlich und eine hohe Stabilität des Rastersondenmikroskops muss gewährleistet sein. Ich führe ein Manipulationsversuch an Molekülen durch, um die notwendige submolekulare Präzision zu testen. Dafür werden supramolekulare Anordnungen von ABP-Molekülen auf Au(111) abgebildet und die Strukturen mit jeder der vier Spitzen im lateralen Manipulationsmodus und durch Spannungpulse bewegt. Damit habe ich die Stabilität des Systems getestet und konnte zeigen, dass alle Spitzen des Systems unabhängig voneinander parallel arbeiten.:1 Introduction 2 Fundamentals of scanning tunneling microscopy 2.1 The working principle 2.2 Scanning tunneling spectroscopy 2.3 Manipulation modes 2.4 Modeling 3 Experimental setup, materials and methods 3.1 The scanning tunneling microscope 3.2 The Au(111) surface 3.3 Further experimental details 4 On-surface synthesis of molecules 4.1 Introduction 4.2 Generation of a periacene 4.3 Investigating a non-alternant PAH 4.4 Conclusion 5 The passivated silicon surface 5.1 Introduction 5.2 Preparation of passivated silicon 5.3 Characterization of Si(001)-(2x1):H 5.4 Tip-induced formation of dangling bonds 5.5 Conclusion 6 Organic molecules on passivated silicon 6.1 Introduction 6.2 Hexacene generated on passivated silicon 6.3 Acetylbiphenyl on passivated silicon 6.4 Conclusion 7 Testing a low temperature four-probe STM 7.1 Introduction 7.2 The four-probe STM 7.3 Performance test of the four-probe STM on Au(111) 7.4 Manipulation of ABP assemblies 7.5 Conclusion 8 Summary and outlook 9 Appendix 9.1 Dibromo-dimethyl-naphtalene on Au(111) 9.2 Epiminotetracene on Au(111) Bibliography Curriculum vitae Scientific contributions Acknowledgement Statement of authorship

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l'étude structurale (taille, déformation, défauts, composition) d'îlots de Ge sur substrats de Si(001) nominaux et pré-structurés durant ou après croissance par épitaxie par jet moléculaire, en utilisant la diffraction (anomale) des rayons X en incidence rasante àl'Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron (ESRF). <br />Les échantillons ont été caractérisés soit ex situ après croissance sur la ligne de lumière ID01, soit in situ durant leur croissance par EJM grâce au dispositif dédié sur la ligne BM32. <br />Les effets dynamiques associés à l'utilisation de l'incidence rasante ont été étudiés sur la base de simulations des champs de déformations dans les nanostructures de Ge. Les résultats ont montré l'influence majeure de l'angle d'incidence sur l'intensité diffusée par les nano-objets de taille de l'ordre de la centaine de nanomètres. Une nouvelle technique de rayons X a été développée pour détecter leur présence et étudier la structure de leur coeur en se concentrant sur l'intensité diffusée par les défauts autour de réflexions interdites. Pour comprendre les dynamiques de croissance, la forme, la taille, le mode de croissance, la composition et la présence éventuelle de défauts et/ou d'ordre atomique à l'intérieur des nanostructures ont été caractérisés en fonction du dépôt, de sa température, de la vitesse de croissance et du recuit. L'évolution des déformations, la transition élastique-plastique, l'interdiffusion et leur relation avec les différentes morphologies des îlots ont été étudiés grâce à l'utilisation de techniques in situ de rayons X. L'étude a mis en évidence l'apparition précoce des dislocations dans les îlots durant la croissance lente de Ge sur Si(001) et la formation d'un nouveau type de superdomes qui résulte de la coalescence d'îlots. <br />Enfin, les croissances sur surfaces Si(001) nominales et pré-structurées ont étécomparées. La structuration a été obtenue soit par lithographie électronique soit par collage moléculaire et attaque chimique. Ces études ont permis de montrer qu'en modulant la surface, il est possible de changer l'état de relaxation et l'énergie élastique totale des îlots sans modifier leur composition moyenne en Ge. Ces résultats ont aussi révélés que le processus d'interdiffusion n'est pas induit par la contrainte mais plutôt par les phénomènes de diffusion de surfaces.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden erste Untersuchungen zur Herstellung dünner NiSi(2-x)Al(x)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)-Schichten auf Si(001) erbracht. Dazu wurden Ni-Si-Al-Schichten mittels DC-Magnetron-Sputtern sowie Ni-Si-Ga-Schichten mittels Molekular-Strahl-Epitaxie (MBE) abgeschieden und anschließend in Abhängigkeit von der Herstellungsprozedur in einer RTA-Anlage thermisch behandelt. Die so entstandenen Reaktionsschichten wurden anschließend mittels RBS charakterisiert, wobei zusätzlich REM-, TEM-, AES-Tiefenprofil- und XRD-Untersuchungen ergänzend genutzt wurden. Es zeigt sich, dass unabhängig von der Abscheideprozedur bei ausreichend hoher Temper- bzw. Substrattemperatur die thermodynamisch stabilen Endphasen NiSi(2-x)Al(x) bzw. NiSi(2-x)Ga(x) gebildet werden. Während die Bildungstemperatur bei Festphasenreaktionen ohne Al- bzw. Ga-Zugabe für NiSi2 etwa 700°C beträgt, reduziert sich diese unter Anwesenheit von Al- bzw. Ga-Atomen auf 500°C und darunter. Dabei scheinen bereits eine Al- bzw. Ga-Konzentration von unter einem Atomprozent als notwendiger Stoffmengenanteil auszureichen. Befindet sich der Ort der Keimbildung der NiSi(2-x)Al(x)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)-Kristallite an der Grenzfläche zum Si(001)-Substrat, so ist eine Änderung der bevorzugten Wachstumsorientierung von NiSi(2-x)Al(x)(001)[100] || Si(001)[100] bzw. NiSi(2-x)Ga(x)(001)[100] || Si(001)[100] (A-Typ) zu einer NiSi(2-x)Al(x)(220) || Si(001)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)(220) || Si(001)-Vorzugsorientierung festzustellen. Die dafür notwendige Konzentration von Al- bzw. Ga-Atomen scheint jedoch höher zu sein als die, die für die Erniedrigung der Bildungstemperatur notwendig ist.