University, Diss., 2003--Köln.

Zugl.: München, Univ. der Bundeswehr, Diss., 2009

Graphen ist eine einatomar dünne Schicht von Kohlenstoffatomen mit besonderen elektronischen Eigenschaften. Epitaktisches Wachstum von Graphen auf der Silizium-terminierten Oberfläche von Siliziumkarbid (SiC) wird weithin als eine der geeignetsten Methoden zur Herstellung von großflächigem Graphen für elektronische Anwendungen angesehen. In dieser Arbeit werden verschiedene Dotierungsmechanismen von Graphen auf SiC theoretisch beschrieben und experimentell untersucht. Auf der Silizium-terminierten SiC-Oberfläche gewachsenes Graphen besitzt einen Überschuss an Elektronen (n-Dotierung). Wird die SiC/Graphen-Grenzfläche mit Wasserstoff passiviert und das Graphen vom Substrat entkoppelt, liegt dagegen Löcherleitung vor (p-Dotierung). Die p-Dotierung von quasifreistehendem Graphen (QFG) auf hexagonalem SiC wird durch die spontane Polarisation des Substrats erklärt. Dieser Mechanismus basiert auf einer Volumeneigenschaft von SiC, die bei jeden hexagonalem Polytyp des Materials vorhanden und unabhängig von Einzelheiten der Grenzflächenbildung ist. Die n-Dotierung des epitaktischen Graphens (EG) wird durch Grenzflächenzustände erklärt, die die Polarisationsdotierung überkompensieren. Die Austrittsarbeit und elektronische Struktur von EG sowie QFG werden ebenfalls untersucht. Es wird beobachtet, dass die Austrittsarbeit gegen den Wert von Graphit konvergiert, wenn die Anzahl der Graphenschichten erhöht wird. Außerdem, Messungen der Oberflächenphotospannung werden im Zusammenhang mit verschiedenen Rekombinationsraten an der Grenzfläche von EG und QFG diskutiert.

The work function and electronic structure of epitaxial graphene as well as of quasi-freestanding graphene multilayer samples were studied by Kelvin probe and angle resolved photoelectron spectroscopy. The work function converges towards the value of graphite as the number of layers is increased. Thereby, n-type doped epitaxial graphene layers have a work function lower than graphite and p-type doped quasi-freestanding graphene layers exhibit a work function higher than graphite. We explain the behaviour by the flling of the pi-bands due to substrate interactions.

For the past decades, Kelvin probe force microscopy (KPFM) developed from a sidebranch of atomic force microscopy to a widely used standard technique. It allows to measure electrostatic potentials on any type of sample material with an unprecedented spatial resolution. While the technical aspects of the method are well understood, the interpretation of measured data remains object of intense research. This thesis intends to prove an advanced view on how sample systems which are typical for ultrahigh resolution imaging, such as organic molecular submonolayers on metals, can be quantitavily analysed with the differential charge density model. In the first part a brief introduction into the Kelvin probe experiment and atomic force microscopy is given. A short review of the theoretical background of the technique is presented. Following, the differential charge density model is introduced, which is used to further explain the origin of contrast in Kelvin probe force microscopy. Physical effects, which cause the occurence of local differential charge densities, are reviewed for several sample systems that are of interest in high resolution atomic force microscopy. Experimental evidence for these effects is presented in the second part. Atomic force microscopy was used for in situ studies of a variety of sample systems ranging from pristine metal surfaces over monolayer organic adsorbates on metals to ferroelectric substrates both, with and without organic thin film coverage. As the result from these studies, it is shown that the differential charge density model accurately describes the experimentally observed potential contrasts. This implies an inherent disparity of the measurement results between the different Kelvin probe force microscopy techniques; a point which had been overseen so far in the discussion of experimental data. Especially for the case of laterally strong confined differential charge densities, the results show the opportunity as well as the necessity to explain experimental data with a combination of ab initio calculations of the differential charge density and an electrostatic model of the tip-sample interaction.

The doping of quasi-freestanding graphene (QFG) on H-terminated, Si-face 6H-, 4H-, and 3C-SiC is studied by angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) close to the Dirac point. Using semi-insulating as well as n-type doped substrates we shed light on the contributions to the charge carrier density in QFG caused by i) the spontaneous polarization of the substrate, and ii) the band alignment between the substrate and the graphene layer. In this way we provide quantitative support for the previously suggested model of polarization doping of graphene on SiC [Phys. Rev. Lett. 108, 246104 (2012)].

In dieser Arbeit wurde die Austrittsarbeit von Graphen, einer vielversprechenden Elektrodenmaterial für (opto)- elektronische Bauteile, durch die Adsorption von luftbeständigen konjugierten organischen Molekülen (KOMs), welche als Akzeptoren und Donatoren fungieren, modifiziert. Die Eigenschaften der Valenz- und Rumpfniveaus sowie die Austrittsarbeitsmodifikation der vakuumverdampften KOMs wurden mit Photoelektronenspektroskopie (PES) untersucht, während die Orientierung der KOMs mit Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) aufgeklärt wurde. Die Austrittsarbeit von Graphen auf Quartz (G/Qu) lässt sich auf maximal 5.7 eV und minimal 3 eV anpassen, welches aus einem Ladungstransfer direkt an der Grenzfläche resultiert, der keine Ausbildung von kovalenten Bindungen zwischen der molekularen Monolage und dem Graphen beinhaltet. Zudem, für den starken molekularen Akzeptor Hexaazatriphenylen-Hexacarbonitril (HATCN) verläuft die Austrittsarbeitserhöhung über eine Orientierungsänderung der Moleküle im Monolagenbereich. Für alle anderen auf G/Qu abgeschiedenen Akzeptoren (Donatoren) wurde beobachtet, dass der Ladungstransfer eine positive (negative) Oberflächen-ladungsdotierung der Graphen-Schicht bewirkt, welches in einer Austrittsarbeitserhöhung (-erniedrigung) resultiert. Letztere ließ sich jeweils in zwei Beiträge zerlegen: (a) Verschiebung des Vakuumniveaus durch einen Grenzflächendipol an der KOM/Graphen-Grenzfläche und (b) Verschiebung des Fermi-Niveaus durch Oberflächenladungstransferdotierung der Graphen-Schicht. Weiterhin wurde der molekulare Akzeptor Hexafluoro-tetracyano napththoquinodimethan (F6TCNNQ) sowohl auf G/Qu als auch auf Graphen auf Kupfer abgeschieden, wobei sich herausstellte, dass der Ladungstransfer im ersteren Fall vom Graphen stammt, und im letzteren von der Kupferunterlage. Die Ergebnisse werden von Dichtefunktionaltheorieberechnungen gestützt und tragen erheblich zum Verständnis von Graphen/KOM-Grenzflächen bei. / In this thesis, the work function of graphene, a promising electrode for (opto)electronic devices was modified by adsorption of air-stable conjugated organic molecules (COMs) that act as strong molecular acceptors or donors. The valence and core level properties, together with the work function modification of the vacuum-deposited COMs on graphene were investigated with photoelectron spectroscopy (PES), while the orientation of COMs was studied with near edge X-ray fine structure spectroscopy (NEXAFS). The work function of graphene-on-quartz (G/Qu) is modified up to 5.7 eV and down to 3 eV as a result of charge transfer (CT) occurring right at the interface, which does not invoke covalent bond formation between the molecular monolayer and the graphene. In addition to the CT, in the case of the molecular acceptor hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile (HATCN), the work function increase proceeded via a density-dependent re-orientation of the molecule in the monolayer regime. For all the other tested molecular acceptors (donors) deposited on graphene-on-quartz, the CT was observed to induce positive (negative) surface CT doping of the graphene layer, leading to a work function increase (decrease) and was disentangled into two contributions: (a) shift of the Vacuum level due to the formation of an interface dipole at the COM/graphene interface and (b) shift of the Fermi level of the graphene due to the surface CT doping. Additionally, the molecular acceptor hexafluoro-tetracyanonapththoquinodimethane (F6TCNNQ) was deposited on both G/Qu and graphene-on-copper, where the CT was found to originate from graphene and copper support respectively. The findings were supported by density functional theory calculations and significantly add to a fundamental understanding of graphene/COM interfaces.

Die Ladungsinjektion (-extraktion) an einer Schnittstelle spielt in der organischen Elektronik eine entscheidende Rolle, da sie die Leistung des Bauelements stark beeinflusst. Eine der effizientesten Methoden zur Optimierung der Energiebarrieren für die Injektion ist die Modifikation der Austrittsarbeit der Elektroden. In dieser Dissertation untersuchen wir die Modifikation der Austrittsarbeit von Au(111) durch dithiol-terminiertes Polyethylenglykol (PEG(thiol)) sowie deren Abhängigkeit von der Anzahl der PEG-Wiederholungseinheiten. In beiden Fällen beobachten wir, dass die Austrittsarbeit des Au(111) durch eine Monoschicht PEG(thiol)-Moleküle reduziert wird. Unsere Berechnungen zeigen, dass diese Änderung der Austrittsarbeit hauptsächlich durch (i) die Ladungsumlagerung aufgrund der Chemisorption und (ii) das intrinsische Dipolmoment der PEG(thiol)-Monoschicht verursacht wird. Die Größe des letzteren Beitrags hängt spürbar von der Anzahl der Wiederholungseinheiten ab und bewirkt somit eine Variation in der Reduktion der Austrittsarbeit. Das oszillatorische Verhalten spiegelt einen ausgeprägten Odd-Even-Effekt wider. Dadurch kann die Austrittsarbeit der Metallelektrode unter Berücksichtigung des Odd-Even-Effekts gesteuert werden. Die Konvergenz der selbstkonsistenten Felditeration für unsere Systeme ist nicht garantiert. Um die Konvergenz zu verbessern, schlagen wir die Verwendung eines speziell auf die FP-LAPW-Methode zugeschnittenen Mischalgorithmus vor. In einem auf Ag(111) basierenden System zeigt sich, dass eine Struktur mit drei Leerstellen in der Substratschicht besonders stabil ist. Dabei ist eine kontinuierliche Abnahme der Austrittsarbeit des Ag(111) feststellbar. Ähnlich wie beim Au(111) manifestiert sich der Odd-Even-Effekt, der auf das Dipolmoment der Molekularschicht zurückzuführen ist. / Charge injection (extraction) at an interface plays a crucial role to organic electronics because this injection (extraction) heavily affects the device performance. One of the most efficient way to optimize energy barriers of the injection (extraction) is modifying the work function of electrodes. In this dissertation, we investigate the modification of work function of Au(111) and Ag(111) induced by the dithiol-terminated polyethylene glycol (PEG(thiol)) as well as a dependence of the work function change on different numbers of PEG repeat units. We find that the work function of the Au(111) is reduced by a monolayer of PEG(thiol) molecules. Overall, our calculations indicate that the work function change is mainly induced by (i) the charge rearrangement due to chemisorption and (ii) the intrinsic dipole moment of the PEG(thiol) monolayer. The magnitude of the latter contribution noticeably depends on the number of repeat units and, thus, causes a variation in the reduction of the work function. The oscillatory behavior reflects a pronounced odd-even effect. As a result, the work function of the metal electrode would be controlled by considering the odd-even effect. Unfortunately, the convergence of the self-consistent field iteration is not guaranteed for our investigated systems. To make the smooth convergence, a mixing algorithm, which is applicable to FP-LAPW method, is devised. We add the Kerker preconditioner as well as further improvements to Pulay’s direct inversion in the iterative subspace. Using this method, one can avoid charge sloshing and noise in the exchange-correlation potential. This method is also implemented in the exciting code. We find the decrease of the work function of the Ag(111) surface is always presented. Similar to the Au(111) case, the odd-even effect is revealed, arising from the dipole moment of the molecular layer.

For the past decades, Kelvin probe force microscopy (KPFM) developed from a sidebranch of atomic force microscopy to a widely used standard technique. It allows to measure electrostatic potentials on any type of sample material with an unprecedented spatial resolution. While the technical aspects of the method are well understood, the interpretation of measured data remains object of intense research. This thesis intends to prove an advanced view on how sample systems which are typical for ultrahigh resolution imaging, such as organic molecular submonolayers on metals, can be quantitavily analysed with the differential charge density model. In the first part a brief introduction into the Kelvin probe experiment and atomic force microscopy is given. A short review of the theoretical background of the technique is presented. Following, the differential charge density model is introduced, which is used to further explain the origin of contrast in Kelvin probe force microscopy. Physical effects, which cause the occurence of local differential charge densities, are reviewed for several sample systems that are of interest in high resolution atomic force microscopy. Experimental evidence for these effects is presented in the second part. Atomic force microscopy was used for in situ studies of a variety of sample systems ranging from pristine metal surfaces over monolayer organic adsorbates on metals to ferroelectric substrates both, with and without organic thin film coverage. As the result from these studies, it is shown that the differential charge density model accurately describes the experimentally observed potential contrasts. This implies an inherent disparity of the measurement results between the different Kelvin probe force microscopy techniques; a point which had been overseen so far in the discussion of experimental data. Especially for the case of laterally strong confined differential charge densities, the results show the opportunity as well as the necessity to explain experimental data with a combination of ab initio calculations of the differential charge density and an electrostatic model of the tip-sample interaction.

Die Arbeit befasst sich mit der Erforschung und Anwendung der Kelvinsonden-Rasterkraftmikroskopie. Die Technik wird bezüglich der Quantität der gemessenen Werte und der erzielbaren lateralen Auflösung untersucht und auf diverse Probensysteme angewandt. Die so erhaltenen nanoskopischen Werte werden mit markoskopischen Messergebnissen verglichen. Sowohl die elektrostatische Kraft zwischen der Messspitze und der Probenoberfläche als auch deren Gradienten können zur Minimierung der elektrostatischen Wechselwirkung herangezogen werden. Die Detektion des Kraftgradienten zum Aufbau eines Regelkreises erweist sich gegenüber der Kraftdetektion überlegen. Die experimentell ermittelten Befunde werden durch eine Rechnersimulation bestätigt. Diese zeigt die Möglichkeit von quantitativen Ergebnissen für laterale Objektgrößen im Bereich von einigen Nanometern. Im Experiment kann dies gezeigt werden. Es folgt die Anwendung der Kelvinsonden-Rasterkraftmikroskopie: Nanoskopisch ermittelte Werte der Austrittsarbeitsänderung von Metalleinkristall-Oberflächen durch die Adsorption von C_60 entsprechen Literaturwerten, die mit makroskopisch messenden Methoden ermittelt wurden. Sich zeitlich ändernde Oberflächenpotentiale von einer organischen Solarzelle und von lateral unterschiedlich dotiertem Silizium lassen sich quantitativ messen. Der sich bei der Adsorption von Oktadezyl-Phosphonsäure auf Glimmer und Graphit bildende elektrostatische Dipol wird untersucht und abgebildet. Das Wachstumsverhalten und die Austrittsarbeit der organischen Moleküle PTCDA und Alq_3 auf den teilweise mit KBr bedeckten Metallsubstraten Au und Ag wird untersucht. Schlussendlich wird gezeigt, dass mit der Kelvinsonden-Rasterkraftmikroskopie sogar der molekülinterne Dipol der vier Butyl-Gruppen von Tetra-3,5-di-ter-butyl-phenyl-Porphyrinen aufgelöst werden kann.