Universiẗat, Diss., 2004--Jena.

The physical limitations of miniaturization of the traditional silicon-based electronic devices have motivated growing interest in molecular electronics due to its promising potential in transcending Moore's Law. Since the concept of molecular rectifier was first proposed by Ratner and Aviram in 1974, a lot of efforts have been devoted to realizing nondestructive electrical contacts to the individual or ensemble molecules, such as liquid metal contact, break junctions, cross wire junctions, etc. Among them, rolled-up nanotechnology is compatible with the conventional photolithography processes and can provide an efficient strategy to fabricate fully integrated functional molecular devices on a chip via an array of damage-free soft contacts. This nanotechnology takes an important step towards implementing the miniaturization of molecular devices and promotes the development of molecular electronics. In this doctoral thesis, rolled-up nanotechnology is employed to develop functional molecular devices on chips. Enabled by these rolled-up soft contacts, fully integrated molecular rectifiers based on ultrathin molecular heterojunctions are developed for the first time, and they are able to convert alternating current to direct current with frequencies up to 10 MHz. This is also the first time that a nanoscale organic rectifier with an operating frequency exceeding 1 MHz has been fabricated. The remarkable unidirectional current behavior of the molecular devices mainly originates from the intrinsically different surfaces of bottom planar and top microtubular gold electrodes. While the excellent high-frequency response is guaranteed by the charge accumulation in the phthalocyanine molecular heterojunction, which not only improves the charge injection but also increases the carrier density. Then this rolled-up nanotechnology is further employed to explore multi-functional molecular devices. In this thesis, fully integrated process-programmable molecular devices are achieved for the first time, which can switch between photomultiplication photodiodes and bipolar memristors. The transition depends on the release of mobile ions initially stored in the bottom polymeric electrode and can be controlled by modulating the local electric field at the interface between the ultrathin molecular layer and the bottom electrode. Photogenerated-carrier trapping at a low interfacial electric field leads to photomultiplication with an ultrahigh external quantum efficiency (up to 104%). In contrast, mobile-ion polarization triggered by a high interfacial electric field results in ferroelectric-like memristive behaviour with both remarkable resistive on/off ratios and rectification ratios. The combination of the “soft-contact” enabled by rolled-up nanotechnology and the “ion reservoir” provided by the polymeric electrode opens up a novel strategy for integrating multi-functional molecular devices based on the synergistic electronic-ionic reaction to various stimuli.:List of abbreviations 6 Chapter 1 Introduction 8 1.1 Molecular electronics: a brief history 8 1.2 Motivation: why molecular electronics? 9 1.3 Objectives: developing integrated functional molecular devices 14 1.4 Dissertation structure 15 Chapter 2 Fabrication and characterization methods 17 2.1 Core nanotechnology adopted in this thesis: rolled-up nanomembrane contacts 17 2.2 Fabrications 18 2.2.1 Photolithography 18 2.2.2 Spin-coating 23 2.2.3 Electron-beam deposition 24 2.2.4 Sputter deposition 25 2.2.5 Atomic layer deposition 27 2.2.6 Low-temperature evaporation 28 2.3 Characterizations 30 2.3.1 Atomic force microscopy 30 2.3.2 Photoelectron spectroscopy 32 2.3.3 X-ray diffraction 35 Chapter 3 Integrated molecular rectifiers 37 3.1 Introduction 37 3.2 Construction of the organic heterojunction 39 3.3 Microfabrication of the molecular diode 46 3.4 Origination of the rectification 54 3.5 Frequency performance 61 3.6 Discussion 63 Chapter 4 Integrated process-programmable molecular devices 66 4.1 Introduction 66 4.2 Design and microfabrication of the molecular devices 69 4.2.1 Top tubular metallic electrodes 69 4.2.2 Bottom finger polymer electrodes 71 4.3 Function I: Molecular photomultiplication photodiodes 75 4.3.1 Traditional photodiodes and photomultiplication photodiodes 75 4.3.2 Performance of molecular photomultiplication photodiodes 78 4.3.3 Transition voltage spectroscopy 84 4.4 Function II: Molecular bipolar memristors 86 4.4.1 Ion doping-assisted injection 86 4.4.2 Performance of the molecular bipolar memristors 88 4.4.3 Mechanism of the resistance switching 97 4.5 Mechanism of the electric-field-driven transition 106 4.6 Conclusions 108 Chapter 5 Conclusions and outlook 110 5.1 Conclusions 110 5.1.1 Fully integrated molecular rectifiers 110 5.1.2 Fully integrated process-programmable molecular devices 111 5.2 Outlook 111 5.2.1 Improve the yield of the integrated molecular devices 111 5.2.2 Develop integrated molecular functional devices 112 References 113 List of figures and tables 129 Selbständigkeitserklärung 134 Theses 135 Acknowledgments 138 Research achievements 140 Curriculum-vitae 142

Eine Reihe wichtiger Wachstums- und Integrationsaspekte von Kohlenstoff-Nanoröhren wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Der Schwerpunkt der experimentellen Arbeit lag dabei hauptsächlich bei einschaligen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT). Das große Potential dieser Nanoröhren für Transistor-Anwendungen wurde durch die Herstellung einer Vielzahl funktionierender Bauelemente aus diesen Kohlenstoffnanoröhren mittels relativ einfacher Herstellungsprozesse demonstriert. Ein fundiertes Verständnis für die Abhängigkeiten des Nanoröhrenwachstums von einer Vielzahl an Parametern wurde mit Hilfe mehrerer tausend Wachstumsexperimente gesammelt. Verschiedene Katalysatormetalle, Kohlenstoffquellen und Katalysatorunterlagen wurden detailliert untersucht. Ein Hauptaugenmerk wurde dabei auf eine Reduzierung der Wachstumstemperatur gerichtet. Die niedrige Wachstumstemperatur spielt eine große Rolle für eine möglichst hohe Kompatibilität mit konventionellen Herstellungsverfahren der Silizium-Halbleitertechnik. Ein einfaches phänomenologisches Wachstumsmodell wurde für die Synthese von Nanoröhren mittels katalytisch-chemischer Gasphasen-Abscheidung (CCVD) formuliert. Dieses Modell basiert hauptsächlich auf der Oberflächendiffusion von adsorbierten Kohlenstoffverbindungen entlang der Seitenwände der Nanoröhren sowie auf der Oberfläche der Katalysatorunterlage. Das Modell ist eine wichtige Ergänzung zu dem VLS-Mechanismus. Ein Wachstumsverfahren zur Herstellung von Nanoröhren für niedrigere Temperaturen bis zu 600 °C wurde entwickelt. Experimentell wurde nachgewiesen, dass der Durchmesser des Katalysatorteilchens fast ausschließlich bestimmt, wie viele Schalen eine wachsende Nanoröhre bei geeigneten Wachstumsbedingungen hat. Es wurde zum ersten Mal gezeigt, dass einschalige Kohlenstoffnanoröhren auf Metallelektroden wachsen werden können, insofern eine dünne Aluminiumschicht als Trennschicht verwendet wird. Dadurch können in-situ kontaktierte Nanoröhren einfach hergestellt werden, was deren elektrische Charakterisierung weitaus erleichtert. Mittels stromloser Abscheidung von Nickel oder Palladium aus einer Lösung konnte eine deutliche Verbesserung der Kontaktwiderstände der in-situ-kontaktierten Nanoröhren erreicht werden. Durch Einbettung von Nanoröhren in eine Tantaloxidschicht konnten Transistoren mit einem Dielektrikum mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante hergestellt werden. Die Tantaloxidschicht wurde mit einem neu entwickelten Tauchprozess abgeschieden. Erstmalig wurden Transistoren basierend auf Kohlenstoffnanoröhren hergestellt, die relativ hohe Ströme (Milliampere) mit einer Modulation bis zu einem Faktor 500 schalten können. Diese Transistoren beruhen auf einer Parallelschaltung einer großen Anzahl an Nanoröhren. Mit Hilfe der hergestellten Transistoren konnten die Eigenschaften einer großen Zahl von Nanoröhren untersucht werden, wobei große Unterschiede in den elektronischen Eigenschaften von metallischen Nanoröhren, halbleitenden Nanoröhren und Nanoröhren mit einer kleinen Bandlücke beobachtet wurden. / A number of very important growth and integration aspects of carbon nanotubes have been investigated during the course of this thesis. The focus was mainly on single-walled carbon nanotubes. Their potential for transistor applications was demonstrated by the successful fabrication of a variety of devices using rather simple processes. A detailed understanding of the dependence of SWCNT growth on a variety of parameters was obtained as the result of several thousand growth experiments. Various catalyst materials, gaseous carbon sources, and catalyst supports have been investigated. Special attention was paid to a considerable reduction of the growth temperature. A simple phenomenological growth model could be derived for CCVD of SWCNTs taking into account a number of effects observed during the various growth experiments. The model presented is mainly based on the surface diffusion of carbon species along the sidewalls of the carbon nanotubes or on the catalyst support and is an addition to the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism. Growth methods for the CCVD synthesis of SWCNTs were developed for temperatures as low as 600 °C. It has been found that the size of the catalyst particle alone determines whether a SWCNT, DWCNT, or MWCNT will nucleate from a specific particle under suitable growth conditions. It could be demonstrated for the first time that SWCNTs can be grown on a variety of conducting materials if the catalyst is separated from the electrode by a thin Al layer. In-situ contacted SWCNTs can be easily obtained that way, largely facilitating the electronic characterization of as-grown SWCNTs. A tremendous improvement of the contacts of in-situ contacted SWCNTs could be achieved by electroless deposition. SWCNT growth on appropriate electrodes allowed the encapsulation of the nanotubes by electroless deposition of Ni and Pd, yielding good and reliable contacts. SWCNT transistors with a high-k dielectric could be fabricated by encapsulation of the nanotube with a tantalum oxide layer. The tantalum oxide was deposited by a newly developed dip-coat process. High-current SWCNT transistors consisting of a large number of SWCNTs in parallel were demonstrated for the first time during this work. Finally, the properties of a large number of CCVD grown SWCNTs have been investigated by electronic transport measurement. Large differences in the electronic transport have been observed for metallic, small band gap semiconducting (SGS), and semiconducting SWCNTs with small diameters.

Eine Reihe wichtiger Wachstums- und Integrationsaspekte von Kohlenstoff-Nanoröhren wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Der Schwerpunkt der experimentellen Arbeit lag dabei hauptsächlich bei einschaligen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT). Das große Potential dieser Nanoröhren für Transistor-Anwendungen wurde durch die Herstellung einer Vielzahl funktionierender Bauelemente aus diesen Kohlenstoffnanoröhren mittels relativ einfacher Herstellungsprozesse demonstriert. Ein fundiertes Verständnis für die Abhängigkeiten des Nanoröhrenwachstums von einer Vielzahl an Parametern wurde mit Hilfe mehrerer tausend Wachstumsexperimente gesammelt. Verschiedene Katalysatormetalle, Kohlenstoffquellen und Katalysatorunterlagen wurden detailliert untersucht. Ein Hauptaugenmerk wurde dabei auf eine Reduzierung der Wachstumstemperatur gerichtet. Die niedrige Wachstumstemperatur spielt eine große Rolle für eine möglichst hohe Kompatibilität mit konventionellen Herstellungsverfahren der Silizium-Halbleitertechnik. Ein einfaches phänomenologisches Wachstumsmodell wurde für die Synthese von Nanoröhren mittels katalytisch-chemischer Gasphasen-Abscheidung (CCVD) formuliert. Dieses Modell basiert hauptsächlich auf der Oberflächendiffusion von adsorbierten Kohlenstoffverbindungen entlang der Seitenwände der Nanoröhren sowie auf der Oberfläche der Katalysatorunterlage. Das Modell ist eine wichtige Ergänzung zu dem VLS-Mechanismus. Ein Wachstumsverfahren zur Herstellung von Nanoröhren für niedrigere Temperaturen bis zu 600 °C wurde entwickelt. Experimentell wurde nachgewiesen, dass der Durchmesser des Katalysatorteilchens fast ausschließlich bestimmt, wie viele Schalen eine wachsende Nanoröhre bei geeigneten Wachstumsbedingungen hat. Es wurde zum ersten Mal gezeigt, dass einschalige Kohlenstoffnanoröhren auf Metallelektroden wachsen werden können, insofern eine dünne Aluminiumschicht als Trennschicht verwendet wird. Dadurch können in-situ kontaktierte Nanoröhren einfach hergestellt werden, was deren elektrische Charakterisierung weitaus erleichtert. Mittels stromloser Abscheidung von Nickel oder Palladium aus einer Lösung konnte eine deutliche Verbesserung der Kontaktwiderstände der in-situ-kontaktierten Nanoröhren erreicht werden. Durch Einbettung von Nanoröhren in eine Tantaloxidschicht konnten Transistoren mit einem Dielektrikum mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante hergestellt werden. Die Tantaloxidschicht wurde mit einem neu entwickelten Tauchprozess abgeschieden. Erstmalig wurden Transistoren basierend auf Kohlenstoffnanoröhren hergestellt, die relativ hohe Ströme (Milliampere) mit einer Modulation bis zu einem Faktor 500 schalten können. Diese Transistoren beruhen auf einer Parallelschaltung einer großen Anzahl an Nanoröhren. Mit Hilfe der hergestellten Transistoren konnten die Eigenschaften einer großen Zahl von Nanoröhren untersucht werden, wobei große Unterschiede in den elektronischen Eigenschaften von metallischen Nanoröhren, halbleitenden Nanoröhren und Nanoröhren mit einer kleinen Bandlücke beobachtet wurden. / A number of very important growth and integration aspects of carbon nanotubes have been investigated during the course of this thesis. The focus was mainly on single-walled carbon nanotubes. Their potential for transistor applications was demonstrated by the successful fabrication of a variety of devices using rather simple processes. A detailed understanding of the dependence of SWCNT growth on a variety of parameters was obtained as the result of several thousand growth experiments. Various catalyst materials, gaseous carbon sources, and catalyst supports have been investigated. Special attention was paid to a considerable reduction of the growth temperature. A simple phenomenological growth model could be derived for CCVD of SWCNTs taking into account a number of effects observed during the various growth experiments. The model presented is mainly based on the surface diffusion of carbon species along the sidewalls of the carbon nanotubes or on the catalyst support and is an addition to the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism. Growth methods for the CCVD synthesis of SWCNTs were developed for temperatures as low as 600 °C. It has been found that the size of the catalyst particle alone determines whether a SWCNT, DWCNT, or MWCNT will nucleate from a specific particle under suitable growth conditions. It could be demonstrated for the first time that SWCNTs can be grown on a variety of conducting materials if the catalyst is separated from the electrode by a thin Al layer. In-situ contacted SWCNTs can be easily obtained that way, largely facilitating the electronic characterization of as-grown SWCNTs. A tremendous improvement of the contacts of in-situ contacted SWCNTs could be achieved by electroless deposition. SWCNT growth on appropriate electrodes allowed the encapsulation of the nanotubes by electroless deposition of Ni and Pd, yielding good and reliable contacts. SWCNT transistors with a high-k dielectric could be fabricated by encapsulation of the nanotube with a tantalum oxide layer. The tantalum oxide was deposited by a newly developed dip-coat process. High-current SWCNT transistors consisting of a large number of SWCNTs in parallel were demonstrated for the first time during this work. Finally, the properties of a large number of CCVD grown SWCNTs have been investigated by electronic transport measurement. Large differences in the electronic transport have been observed for metallic, small band gap semiconducting (SGS), and semiconducting SWCNTs with small diameters.

The work discusses the development of molecular electronics based on the possibility of the usage of anorganic quantum dots and organic molecules as basis material. Of special interest are the properties of semiconductor quantum dots and their modification due to the coupling of quantum dots from different materials. Eventually these are proper candidates to avoid the fast recombination of excitons which is a problem in many organic photovoltaic materials, by local separation of charge carriers. Another materials class investigated are the so called charge transfer dimers. On the way to usable molecular building blocks switching and rectification behavior are important properties, therefore they were of special interest in the investigation. Especially the usage of charge transfer materials in rectification was already suggested in the 70’s, but could be realized till now only with a quiet limited success. Already around the millennium it was shown that a too strong coupling between the components leads to a resymmetrization of the I-V-characteristics. For all systems the electronic structure was investigated by means of density functional theory. Additional the charge transport in between gold leads was computed based on non equilibrium Greens functions. For the system of coupled quantum dots it is shown how the combination of several gates can be used to adjust the transport properties. This work shows that the rectification effect within weakly coupled charge transfer systems stays also small because also in this case a resymmetrization of the I-V-characteristics takes place.:1 Introduction 2 Molecular Electronics 3 Theoretical background 4 Computational details and software packages 5 Modeling 6 Results and Discussion 6.1 Quantum dots 6.2 Transport through coupled quantum dots 6.3 Charge transfer dimers 6.4 Transport through charge transfer dimers 7 Conclusion 8 Outlook Acknowledgement List of Figures List of Tables Bibliography List of own Publications / Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung der molekularen Elektronik und insbesondere mit der Prüfung der Verwendbarkeit von anorganischen Quantenpunkten und organischen Molekülen für diesen Bereich. Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien besitzen eine grosse Bandbreite von Eigenschaften. Es wird untersucht, wie die Eigenschaften durch die Kopplung von Quantenpunkten unterschiedlicher Materialien modifiziert werden können. Eine Idee besteht in der lokalen Trennung von Ladungsträgern um die schnelle Rekombination von Exzitonen zu vermeiden, welche in organischen Solarzellen häufig ein Problem darstellt. Als weitere Materialklasse werden molekulare Ladungstransferdimere untersucht. Auf dem Weg zu nutzbaren Bauelementen sind das Schalt- und Gleichrichtverhalten wichtige Eigenschaften, daher sind sie von besonderem Interesse. Insbesondere die Frage des Ladungstransfers in Bezug auf das Gleichrichten wurde schon in den 1970ern vorgeschlagen, konnte aber bisher immer nur mit begrenztem Erfolg realisiert werden. Schon um die Jahrtausendwende wurde gezeigt, dass Systeme mit einer zu starken Kopplung zu einer Symmetrisierung der Strom-Spannungs-Kennlinie führen. Bei beiden Systemen wird jeweils die elektronische Struktur im Sinne der Dichtefunktionaltheorie berechnet. Zusätzlich wird jeweils der Ladungstransport zwischen Goldkontakten mittels Nichtgleichgewichts-Greenschen Funktionen berechnet. Für die Systeme gekoppelter Quantenpunkte wird gezeigt, wie die Transporteigenschaften mittels Gatespannungen eingestellt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass es auch im Fall schwach gekoppelter Ladungstransferdimere zu weitgehend symmetrischen Strom-Spannungs-Kennlinien kommt und es auch für diese Systeme nur zu einem schwachen Gleichrichtverhalten kommt.:1 Introduction 2 Molecular Electronics 3 Theoretical background 4 Computational details and software packages 5 Modeling 6 Results and Discussion 6.1 Quantum dots 6.2 Transport through coupled quantum dots 6.3 Charge transfer dimers 6.4 Transport through charge transfer dimers 7 Conclusion 8 Outlook Acknowledgement List of Figures List of Tables Bibliography List of own Publications

In der vorliegenden Dissertation werden das Selbstaggregationsverhalten und die elektronischen Eigenschaften von vier expandierten pi-konjugierten Makrozyklen in geordnete supramolekulare Architekturen mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie (STM) und Tunnelspektroskopie (STS) an Fest-Flüssig-Grenzflächen zwischen organischen Moleküllösungen und der Basalfläche von Graphit untersucht. Zwei Makrozyklen sind die Fotoisomere Z,Z–8T6A und E,E–8T6A, in denen sechs Ethynylengruppen und zwei cis- bzw. trans-Ethylen erhalten sind. STM-Bilder zeigen 2-dimensionale hexagonale Gitter. Strom-Spannungs-Kennlinien bestätigten den erwarteten donor-artigen Charakter der Makrozyklen. Das Schalten von Z,Z–8T6A zu E,E–8T6A wird durch STS zyklische Messungen angezeigt, nachdem die stabilste kationische Spezies ausgebildet wurde. Diese Ergebnisse stellen das erste elektrochemische Schalten unter Standard STM Bedingungen dar. Außerdem wurden die Photoisomerisierungen zwischen Z,Z-8T6A und E,E-8T6A an der Fest-Flüssig-Grenzfläche beobachtet. Eine selbstorganisierte Monoschicht aus Wasserstoffbrücken-gebundenen Trimesinsäuren an der Fest-Flüssig-Grenzfläche bildet Wirtsstellen für die epitaktische Anordnung von Fullerenen mit E,E–8T6A Komplexen in Mono- und Doppelschichten aus. Mit Hilfe der STM-Tomographie wird die Bildung der Templatschicht überprüft. Die Konformationsstabilität und die Adsorptionsstellen der Monoschichten werden mit der Hilfe von Molekulardynamik-Simulation bestätigt. Die STS-Experimente zeigen die Modifikation der gleichrichtenden Eigenschaften der Makrozyklen durch die Bildung von Donor-Akzeptor-Komplexen in einer dicht gepackten, selbstorganisierten supramolekularen Nanostruktur. Die Kombination von Wirt-Gast-Komplexen mit der Schaltfähigkeit und den elektronischen Transporteigenschafte von makrozyklischen Oligothiophenen prädestinieren diese als Kandidaten für Anwendungen in supramolekular konstruierten Systemen mit gewünschten (opto)elektronischen Eigenschaften. / The present thesis concerns to the self-assembly and the electronic properties of four pi-expanded macrocycles into ordered supramolecular architectures, investigated by means of scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) at the solid-liquid interface between organic solutions and the basal plane of graphite. Two macrocycles are the photoisomers Z,Z–8T6A and E,E–8T6A, which contain six ethynylenes and two cis- and trans-ethylenes in opposite positions of the ring, respectively. STM images reveal hexagonally ordered 2D-networks. Current–voltage characteristics confirm the expected donor-like character of the macrocycles. Cyclic STS measurements indicate that Z,Z–8T6A switches to E,E–8T6A after formation of a most stable cationic species. This result represents the first reported electrochemical switching experiment under standard STM conditions. Additionally, the reversible photoisomerization between Z,Z-8T6A and E,E-8T6A upon irradiation was recognized at the solid-liquid interface. Moreover, a self-assembled monolayer of hydrogen-bonded trimesic acid at the solid-liquid interface provides host-sites for the epitaxial ordering of Saturn-like complexes of fullerenes with E,E–8T6A macrocycles in mono- and bilayers. STM tomography verifies the formation of the templated layer, while molecular dynamics simulations corroborate the conformational stability and assign the adsorption sites of the adlayers. STS measurements reveal the modification of the rectifying properties of the macrocycles by the formation of donor-acceptor complexes in a densely packed all-self-assembled supramolecular nanostructure. The combination of host-guest complexation and the switching capabilities and electronics transport characteristics of cyclic oligothiophenes render them candidates for applications in the study of supramolecular engineered systems with desirable (opto)electronic properties.