Understanding the behaviour of molecules on a semiconductor surface is necessary if molecular self-assembly is going to be employed, with existing semiconductor technology, to create useful devices. Si(111)-7x7 is an invaluable surface upon which to study molecular adsorption. The surface reconstruction has been well characterized and it possesses seven symmetrically distinct dangling bonds that can serve as reaction sites. Aromatic molecules on Si(111)-7x7 have been investigated with a variety of techniques and have been shown to chemisorb at room temperature. However, it is not trivial to predict how an ensemble of aromatic molecules might distribute themselves amongst the available bonding sites on this surface. The work presented in this thesis begins with a joint STM and ab initio investigation of thiophene on 7x7 that demonstrates kinetics are necessary to describe the chemisorption sites occupied at various coverages. A kinetic Monte Carlo model, taking into account a mobile physisorbed state, is shown to accurately describe this site occupancy at room temperature. This model disregards molecule-molecule interaction because thiophene does not sterically hinder chemisorption to a neighbouring dangling bond. A larger molecule, mesitylene, was then studied on Si(111)-7x7, and shown to form an ordered molecular lattice on the Si(111)-7x7 surface. This is the first demonstration of a porous molecular lattice grown on Si(111)-7x7 at room temperature. Finally, molecular chemisorption on the related 5x5 reconstruction, grown by depositing Ge on 7x7, is studied. It is found that the presence of Ge hinders molecular chemisorption, preventing formation of the mesitylene lattice. / Thesis (Ph.D, Physics, Engineering Physics and Astronomy) -- Queen's University, 2009-09-11 10:14:10.118

Extending electronic devices beyond the limitations of current micro-electronics manufacturing will require detailed knowledge of how to make contacts to semiconductor surfaces. In this work, we investigated several methods by which such connections to silicon surfaces could be achieved. Scanning tunneling microscopy (STM) was our main experimental tool, allowing direct imaging of the surfaces at the atomic level. First, the growth of self-forming linear nanostructures of organic molecules on silicon surfaces offers a possibility of creating devices with hybrid organic-silicon functionality. We have studied the growth of many different molecules on a variety of hydrogen-terminated silicon surfaces: H-Si(100)-2x1, H-Si(100)-3x1, and H-Si(111)-1x1. We found molecular growth patterns affected by steric crowding, by sample doping level, or by exposure to ion-pump created radicals. We formed the first contiguous "L-shaped" molecular lines, and used an external electric field to direct molecular growth. We attempted to study a novel method for nanoscale information transfer along molecular lines based on excitation energy transfer. The second part of the work focuses on the development and use of a new multiple-probe STM instrument. The design and the custom STM control software written for it are described. Connections to Si surfaces were achieved with a combination of lithographically defined metal contacts and STM tips. Two-dimensional surface conductivity of the Si(111)-7x7 surface was measured, and the effect of modifying the surface with organic molecules was investigated. A novel method, scanning tunneling fractional current imaging (STFCI), was developed to further study surface conductance. This method allowed us to determine, for the first time, that the resistance of steps on the Si(111)-7x7 surface is significantly higher than that of the surface alone.

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In this work, wecarry out theoretical study of the silicon surface reconstruction (7x7) grown in the [111] direction, denoted by Si(111) (7x7), using the Density Functional Theory formalism, within the Local Density Approximation (LDA) for the exchange correlation term. The interaction with the valence electrons and the core ion (nucleus more core electrons) was described by norm conserving, non local pseudopotential approach, compatible with the LDA. The one electron Kohn Sham equations was solved self consistently, by expanding the one electron functions in terms of linear combination of numerical atomic orbitals. All the calculations were realized using the Siesta computational code. Using the clean surface reconstruction model of Si(111) (7x7), propose by Takayanagi et al.[1, 2], we modeled the surface as a slab, in which the (7x7) unitary cell contained 200 Si atoms distributed in one adatom layer (Si atoms on the topmost layer) and the other four layers, with 49 H atoms used for saturate the dangling bonds of the most internal layer of the slab. The structural analysis of the Si(111) (7x7) reconstructed surface and the electronic structure analysis showed a good agreement with both the experimental and theoretical results disposable, reproducing correctly the band structure, the surface levels and the metallic character of this surface. The obtained energy per surface atom was 1,132 eV with respect to the bulk energy. It was performed the study of the vacancy energy formation of adatoms on this surface. We find an average value of 1,2 eV of a single vacancy formation of adatom the Si(111) (7x7) surface. The analysis of the energy bands made possible to identify the electronic states due to the adatoms dangling bonds. As a first application of the obtained results to the Si(111) (7x7) clean surface, we investigated the possible states of the physisorption of the chlorobenzene molecules on specific sites on the Si(111) (7x7) surface. This study showed that chlorobenzene molecules interact with the surface for distances around 3,0 Å from the adatoms. We also inferred that the triangular faulted subunit sites are energetically most favorable to the adsorption than the correspondent triangular unfaulted subunit sites. We plotted the adsorption energy curve of the chlorobenzene on the corner adatom at the triangular faulted unitary cell (7x7). The equilibrium distance and the adsorption energy obtained was 3,005 Å and 0,161 eV, respectively. The magnitude of this interaction corresponds to a physics adsorption of the chlorobenzene molecule on the Si(111) (7x7) surface. / Neste trabalho, realizamos o estudo teórico da reconstrução (7x7) da superfície de Silício crescida na direção [111], denotada por Si(111) (7x7), utilizando para isto o formalismo da Teoria do Funcional da Densidade, com a Aproximação da Densidade Local (LDA - LocalDensityApproximation) para o termo de troca correlação. A interação entre os elétrons de valência e o íon de caroço (núcleo mais os elétrons de caroço) foi descrita por meio da Teoria dos Pseudopotenciais não locais de norma conservada, compativel com a LDA. As equações de Kohn Sham de um elétron foram resolvidas autoconsistentemente, expandindo as funções de um elétronemtermos de combinação linear de orbitais atômico numéricos, com base double . Todos os cálculos foram realizados utilizando o código computacional Siesta. Utilizando o modelo de reconstrução da superfície livre de Si(111) (7x7), proposto por Takayanagi et al.[1, 2], modelamos a superfície como um slab, cuja célula unitária (7x7) contém 200 átomos de Si distribuidos em uma camada de adatoms (átomos de Si adsorvidos sobre a superfície propriamente dita) e quatro outras camadas, além dos 49 átomos de H usados para saturar as ligações pendentes da camada mais interna ao material. A análise estrutural da superfície reconstruída Si(111) (7x7) e a análise da estrutura eletrônica mostrou ótima concordância tanto com trabalhos experimentais quanto teóricos, reproduzindo corretamente a estrutura de bandas, os níveis de superfície e o caráter metálico desta superfície. A energia obtida em nosso cálculo por átomo da superfície, com relação à energia bulk, foi de 1,132 eV. Foi feito o estudo da energia de formação de vacâncias do tipo adatom. Encontramos um valor médio de 1,2 eV para a formação de uma única vacância do tipo adatom na superfície Si(111) (7x7). A análise da estrutura de bandas do sistema com vacância possibilitou identificar os estados eletrônicos devido às ligações pendentes dos adatoms. Como uma primeira aplicação dos resultados obtidos para a superfície livre de Si(111) (7x7), investigamos possíveis estados de fisiossorção de moléculas de clorobenzeno sobre sítios específicos sobre a superfície de Si(111) (7x7). Este estudo mostrou que as moléculas de clorobenzeno interagem com a superfície para distâncias de aproximadamente 3,0 Å dos adatoms. Também inferimos que sítios da subunidade triangular faulted são mais favoráveis à adsorção do que sítios correspondentes sobre a subunidade triangula unfaulted. Levantamos a curva da energia de adsorção do clorobenzeno sobre o adatom de canto da subunidade triangular faulted da célula unitária (7x7). A distância de equilíbrio e a energia de adsorção obtidas foram 3,005 Å e 0,161 eV, respectivamente. A ordem de grandeza desta interação corresponde a uma adsorção física da molécula de clorobenzeno sobre a superfície Si(111) (7x7). / Mestre em Física

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kontrastbildung in der Rasterkraftmikroskopie im Kontaktmodus und im dynamischen Modus analysiert. Kontaktmodus Die Abbildungsprozesse im Kontaktmodus wurden anhand der Au (111) 22 (± 1) x Ö 3 - Oberfläche untersucht. Messungen an Terrassen zeigen, dass die rasternde Spitze Material transportiert. Die Transportrichtung wird durch die Lage der 22 (± 1) x Ö 3 - Überstruktur bezüglich der Rasterrichung vorgegeben. Die Struktur der Goldoberfläche beeinflusst die Reibung, die aus der Lateralkraft bestimmt wird. Auf glatten Terrassen wurde eine deutlich größere Lateralkraft gemessen als auf rauhen. Bisher konnte nur der Spitzenradius in Rasterrichtung abgeschätzt werden, indem über Stufenkanten gerastert wurde und die Stufenbreite im Linienprofil ausgemessen wurde. Die eigentliche Kontaktfläche zwischen Spitze und Probe ist dadurch nicht zugänglich. Hier hat sich die Verwendung der langreichweitigen Überstruktur als vorteilhaft erwiesen. Aus den unterschiedlichen Abbildungen der Überstruktur wurden Informationen über den Einfluss und die Größe der Kontaktfläche gewonnen. Erstmals konnte im UHV die atomare Struktur einer Metalloberfläche reproduziert werden. Weder eine Schichtung der abzubildenden Proben, noch ein Wasserfilm zwischen Spitze und Probenoberfläche ist Voraussetzung zur Abbildung der atomaren Struktur. Die bei den Abbildungen gefundenen Überhöhungen der atomaren Korrugation ist zum einen auf einen stick slip und buckling Prozess zwischen Spitze und Probe zurückzuführen, wie dies bereits für HOPG und Mica gefunden wurde. Zum anderen wird die "giant corrugation" durch die Kopplung von Normal- und Torsionsverbiegung der Blattfeder verstärkt. Der Spitze - Probe - Kontakt stabilisiert sich, indem die Spitze beim Rastern Gold aufnimmt. Dies zeigen Z (V) - Kurven, in denen sich die Kontaktspannung zwischen Spitze und Probe vor und nach den Messungen um bis zu 1 V von ca. 1,2 V auf 0,3 V verringerte. Durch Messungen an der Au (110) - Oberfläche konnte gezeigt werden, dass auch eine anisotrope Oberflächenstruktur durch die Rasterkraftmikroskopie im Kontaktmodus im atomaren Maßstab abgebildet werden kann. Eine hohe Symmetrie der Oberfläche ist, entgegen den bisherigen Annahmen keine zwingende Vorraussetzung für die Reproduktion der atomaren Struktur einer Oberfläche. Strukturen mit großem Unterschied in den Gitterabständen, wie z.B. C60 - Inseln auf einem Cu (111) - Substrat, konnten nacheinander in ihrer atomaren Struktur abgebildet werden. Eine gleichzeitige Abbildung gelang nicht. Vermutlich muss die Spitze immer mit dem Material bedeckt sein, dessen Struktur gerade reproduziert werden soll. Dynamischer Modus Die Wechselwirkungsmechanismen zwischen Spitze und Probe im dynamischen Modus wurden an der Au (111) 22 (± 1) x Ö 3 - Oberfläche und an der Si (111) 7 x 7-Struktur untersucht. Die Topographie der Probenoberfläche wird aus der Verschiebung der Eigenfrequenz des in Resonanz schwingenden Cantilevers gewonnen. Zusätzlich enthält das Anregungssignal der Schwingung (Damping) Informationen über die Energiedissipation zwischen Spitze und Probe. In den Damping - Bildern gibt es besonders an Stufenkanten einen deutlichen Kontrast, der u.a. durch die Aufladung der Stufenkanten (Smoluchowski) verursacht wird. Die durch die schwingende Spitze bewegten Ladungen dämpfen die Cantilever -Schwingung durch Joulsche Reibung. Eine Anregung der Stufenkanten - Atome zu Schwingungen sowie eine veränderte chemische WW der Spitzenatome mit den Stufenatomen trägt ebenfalls zu einer von den Terrassen unterschiedlichen Energiedissipation und damit zu einem Kontrast im Damping an Stufen bei. Während der Kontrast bei Stufen der Si (111) - Oberfläche immer einheitlich ist, gibt es einen wechselnden D - Kontrast bei Au (111) - Stufen. Es handelt sich um die beiden unterschiedliche Stufentypen ((111) bzw. (100)), die sich auf einer fcc -Oberfläche ausbilden können. Die Stufentypen unterscheiden sich in ihrer Austrittsarbeit. Dies äußert sich in einer unterschiedlichen Kontaktspannung UCPD zwischen Spitze und Probe. Die langreichweitige Dissipation GE ist proportional zu U2Spitze-Probe. Daher ist der D - Kontrast abhängig von UCPD . Die Kontaktspannung erzeugt außerdem eine elektrostatische Wechselwirkung, die die Resonanzfrequenz des Cantilevers verschiebt. Dadurch wird die Kontrastbildung im Bild der Topographie abhängig von der lokalen Struktur der Oberfläche. Einen großen Einfluss auf die Kontrastbildung im dynamischen Modus haben die Spitzengeometrie, die Schwingungsamplitude und der mittlere Spitze - Probe - Abstand. Alle drei Faktoren bestimmen den Anteil der langreichweitigen gegenüber der kurzreichweitigen Wechselwirkung. Die Kontrastbildung bei atomarer Auflösung wurde anhand der Si (111) 7 x 7 - Oberfläche untersucht. Der Bildkontrast wird empfindlich von der angelegten Spannung zwischen Spitze und Probe beeinflusst. Je nach Wahl der extern angelegten Spannung sind Aufladungen von den Dotierungs - Atomen und den sie umgebenden Bildladungen sichtbar. Atomare Auflösung ist nur in einem sehr kleinen Abstandsbereich möglich. Der Abstand entspricht in etwa den Abständen in der RTM, wie gleichzeitige Aufnahmen des Tunnelstroms zwischen Spitze und Probe belegen. Mit abnehmendem Spitz-Probe-Abstand wechselt der Kraftgradient das Vorzeichen. Wurden die Atome vorher als Erhebungen abgebildet, werden sie im Abstandsbereich kurzreichweitiger starker repulsiver WW als Löcher dargestellt (Kontrastinversion). Die Summe der Wechselwirkung bleibt aufgrund des großen langreichweitigen Anteils stets attraktiv. Die unterschiedlichen Kontrastbereiche konnten sowohl anhand der Si (111) 7 x 7 - Oberfläche als auch anhand der Au (111) 22 (± 1) x Ö 3 - Oberfläche nachgewiesen werden.