Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein Molekül zu finden und mittels hochauflösender Techniken zu untersuchen, das auf passivierten Halbleiteroberflächen als Schalter in atomaren Schaltkreisen wirken kann. Für diesen Zweck stehen Moleküle zur Verfügung, die aus mindestens einem aromatischen Ring und einer Ankergruppe bestehen, die kovalent auf Silizium bindet. Um einzelne Moleküle auf leitenden Substraten zu untersuchen, hat sich die Nutzung eines Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops (low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM) als geeignetes Werkzeug erwiesen. Zum Einen ist damit die topographische und spektroskopische Charakterisierung von leitenden Proben auf atomarer Ebene möglich, zum Anderen können einzelne Moleküle und Nanostrukturen hochpräzise bewegt oder elektrisch angesprochen werden. Atomare Schaltkreise können besonders präzise auf passivierten Halbleiteroberflächen hergestellt werden. So ist es zum Beispiel möglich, eine Reihe Wasserstoffatome gezielt mit Hilfe einer STM-Spitze von der Oberfläche zu desorbieren. Durch die Überlappung der dann freien Orbitale entstehen, je nach Richtung auf der Oberfläche, atomare Drähte mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Da die Drähte empfindlich hinsichtlich ihrer chemischen Umgebung sind, können diese auch als logische Schaltelemente verwendet werden. Dafür werden die Drähte mit einzelnen Molekülen angesteuert. Geeignete Schaltmoleküle wurden zunächst auf der Au(111)-Oberfläche getestet. Dabei konnten grundlegende und interessante Eigenschaften von selbst-assemblierten Strukturen untersucht werden. Am Modellsystem von nicht-kovalent gebundenen 4-Acetylbiphenyl-Nanostrukturen auf Gold (111) wurde eine neue Methode entwickelt diese Molekülgruppen behutsam zu bewegen. Durch Anlegen eines Spannungspulses auf den Nanostrukturen konnten diese auf der Oberfläche über weite Strecken gezielt und ohne Beeinflussung der internen Struktur positioniert werden. Um Moleküle für zukünftige elektronische Anwendungen zu untersuchen wurde zunächst das Verfahren zur Präparation von sauberen Siliziumoberflächen in die hier verwendeten Anlage implementiert. Es konnten reproduzierbar saubere, (2×1) rekonstruierte Si(100)- Oberflächen präpariert und charakterisiert werden. Nach der erfolgreichen Präparation von Silizium-Oberflächen und der Entwicklung geeigneter Präparationsrezepte für das Schalter-Molekül 4-Acetylbiphenyl (ABP) wurden beide Systeme vereint. Das Molekül konnte erfolgreich auf die Silizium(100)-Oberfläche aufgebracht und die native Adsorptionskonfiguration durch das Anlegen von Spannungspulsen geändert werden. Das Schalten zwischen zwei Konfigurationen ist reproduzierbar und umkehrbar. ABP ist somit der erste umkehrbare molekulare Schalter, der jemals auf Silizium realisiert werden konnte. Bei der Untersuchung technomimetischer Moleküle in Radachsen-Form konnte bisher die Rollbewegung nur anhand der Analyse der Manipulationskurven nachvollzogen und belegt werden. In dieser Arbeit wurde das Rollen eines Nano-Radmoleküls bewiesen. Dazu wurde bei der Synthese in einem Teil der Subphthalocyanin-Räder eine Markierung in Form eines Stickstoffatoms gesetzt. Bei der lateralen Manipulation der Räder auf Gold(111) konnte dann durch Vergleich der STM-Bilder die Markierung verfolgt und darauf geschlossen werden, ob das Rad gerollt oder verschoben wurde. / The aim of this thesis is the investigation of switching properties of single organic molecules, which can be used as molecular latches on a passivated silicon surface. Suitable molecules should be composed of an anchor group that can bind covalently to the silicon surface as well as an aromatic ring for the latching effect. For the imaging as well as the manipulation of single molecules on conductive substrates, a low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM, is a versatile and powerful tool. On the one hand, STM provides topographical and spectroscopic characterization of single molecules on conductive surfaces at the atomic level. On the other hand, under the tip of a STM single molecules and nanostructures can be moved with atomic precision or can be addressed by voltage pulses. Moreover, by STM it is possible to build atomic-scale circuits on passivated semiconducting surfaces as silicon (100). The STM tip is used to extract single hydrogen atoms from the surface to built atomic wires. As the orbitals of the depassivated dangling bonds of the silicon surface overlap differently depending on the direction of the wire in reference to the surface reconstruction, the electrical properties of the wires differ. Moreover, the properties of the wires vary depending on the chemical environment. Taking advantage of these characteristics, the atomic wires can be used as atomic-scale logic elements. However, to bring the input signal to a single logic element, latches are required to controllably passivate and depassivate single dangling-bond pairs. During preliminary studies on possible molecular latches, interesting experiments could be performed on 4-acetylbiphenyl (ABP) on Au(111). The molecules self assemble in non-covalently bond groups of three or four molecules. These groups can be moved controllably by applying voltage pulses on top of the supramolecular structure. The manipulation is possible over long ranges and without losing the internal structure of the assemblies. For the investigation of promising candidates for future molecular electronics on silicon, a preparation procedure tailored to the used UHV machine was developed. During this process, clean (2×1) reconstructed Si(100) surfaces could be prepared reproducibly and were characterized by means of STM imaging and spectroscopy. Switches are essential for electronic circuitry, on macroscopic as well as microscopic level. For the implementation of molecular devices on silicon, ABP is a promising candidate for a latch. In this thesis, ABP was successfully deposited on Si(100) and was switched by applying voltage pulses on top of the molecule. Two stable conformations were found and switching was realized reproducibly and reversibly. In the last part of this work, the rolling of a double-wheel technomimetic molecule was demonstrated. This thesis shows the rolling of a nanowheel on Au(111) as opposed to pushing, pulling or sliding. For this, the subphthalocyanine wheels were tagged by nitrogen during their synthesis. As this tag has different electronic properties than the rest of the wheel, it can be monitored in the STM images. By comparing the images before and after the manipulation the position of the tag proves the actual rolling.

Ce travail de thèse a porté sur l’étude des propriétés fondamentales de bâtonnets quantiques InAs/InP formant la zone active de diodes lasers, à l’aide de microscopie et spectroscopie à effet tunnel à balayage. Nous avons pu étudier la nature de la dimensionnalité de ces nanostructures, mesurer la structure électronique de bâtonnets uniques en fonction de leur position dans la jonction PIN et également établir la cartographie de leur fonction d’onde à l’aide de mesures de conductivité différentielle. Nous avons de plus étudié le potentiel de ces bâtonnets quantiques comme milieu à gain de diodes lasers pour applications en détection de gaz. Nous avons optimisé des structures actives qui ont permis une émission laser en continu jusqu’à 2 µm et nos résultats expérimentaux et de modélisation montrent que cette longueur d’onde d’émission peut être étendue encore plus vers le MIR. De plus nous avons conçu et développé un procédé de fabrication de lasers DFB à couplage latéral à base de réseau de Bragg à fort rapport cyclique qui a permis d’améliorer de façon significative le coefficient de couplage (>40 cm-1). Ce procédé ne nécessitant pas de reprise d’épitaxie est très simple et à bas coût dans sa réalisation. Les valeurs élevées du coefficient de couplage sont d’autre part obtenues sans recourir à des réseaux de Bragg métalliques, comme c’est généralement le cas dans la littérature, qui introduisent des pertes de propagation non négligeables. Cette nouvelle approche a été mise en œuvre pour la réalisation d’un laser monofréquence émettant à 1,986 µm, avec une puissance de sortie par face de 4,5 mW, un courant de seuil de 65 mA et un taux de suppression des modes latéraux > 37 dB. Ces paramètres sont parfaitement adaptés à la détection e.g. de NH3, ce qui est très important pour des applications industrielles. Ce type de laser DFB à couplage latéral (LC-DFB), à fort k et faibles pertes de propagation constitue une brique de base pour la réalisation future de composants à deux sections présentant une gamme élevée d’accordabilité en continu pour des applications aussi bien en détection de gaz qu’en télécommunications optiques / During this work, we investigated the fundamental properties of single Qdashes, that were embedded in a diode-laser structure configuration, using cross-sectional scanning tunneling microscopy and spectroscopy. The main results included addressing the open question of the Qdash dimensionality nature, probing the electronic structure of individual nanostructures in respect to their precise location in the p-i-n junction and imaging of the Qdash electronic squared wavefunctions by high-stability differential conductivity mapping. In addition, we investigated Qdashes as the active material of semiconductor lasers, with special attention to the gas sensing application. We optimized Qdash based material at specific emission wavelengths above 1.55 um, and demonstrated CW lasing up to 2 um with high performances. Our experimental and simulation results show to be promising for further pushing the emission wavelength out, towards longer wavelengths in the future, using the same material system. Furthermore, a novel process has been developed, for the fabrication of laterally-coupled DFB lasers, based on high-duty-cycle etched Bragg gratings: The process provides appreciably improved coupling coefficients suitable for practical applications (~40 cm-1), while avoiding the complicated high cost processing steps, that had been employed in previous works (regrowth over corrugated substrates/ FIB lithography) and without using the conventional highly absorbing metal gratings, which introduce significant additional losses. We implemented this approach on our optimized epi-wafer and demonstrated high SMSR (>37dB) LC-DFB lasers emitting at 1.986 um, with an output power per facet up to 4.5 mW and Ith down to 65 mA for a 630 um cavity length, suitable for detection of the NH3 gas. These high-κ, low loss, preliminary results of our LC-DFB lasers, achieved using etched gratings, open the way for the fabrication of a two-section LC-DBR laser using the same technology in the future. Such a laser would combine a significantly simplified process, with sufficient feedback, continuous wide range tunability, and negligible grating-induced losses, finding potential applications both in sensing and telecommunications applications

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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.

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'effet Kondo moléculaire au sein de réseaux supramoléculaires bidimensionnels en contact avec des surfaces métalliques monocristallines. Les techniques mises en oeuvre sont la diffraction d'électrons lents (LEED) et la microscopie à effet tunnel (STM) pour l'étude de la croissance ainsi que la spectroscopie à effet tunnel (STS) et la photoémission pour l'étude des propriétés électroniques. Les molécules employées dans le cadre de ce travail sont composées de macrocycles de phtalocyanine et tétraphénylporphyrine. Elles ont été choisies sur la base de l'orbitale contenant le spin moléculaire. Dans un premier cas, une phtalocyanine non métallée 2HPc a été déposée sur une surface monocristalline d'Ag(111). Un transfert de charge du métal vers la molécule conduit à l'apparition d'un effet Kondo à base température observé par STS sur des molécules individuelles ainsi que sur des auto-assemblages. Dans le deuxième cas, nous avons choisi un composé hôte à double plateaux contenant un ion cérium de type 4f. Nous avons mis en évidence l'influence du substrat sur l'effet Kondo. En effet, tandis que nous observons par STS, l'apparition d'une résonance Kondo lorsque la molécule est auto-assemblée sur Ag(111), aucun effet n'est observé sur Cu(111). Les résultats sont discutés en terme d'interactions molécule-molécule et molécule-substrat / In this work, we investigated molecular Kondo effect in two-dimensional supramolecular lattices adsorbed on metallic single crystalline surfaces by means of low-energy electron diffraction (LEED), scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS) and photoemission (PES). The molecular compounds used in this PhD thesis have been chosen in regards to their spin orbital. The first molecule under investigation is a metal free phthalocyanine adsorbed on Ag(111). A Kondo effect has been evidenced by STS for single molecules as well as for self-assembly up to one monolayer coverage at low temperature. In that case, the spin originates from charge transfer from the Ag surface to the molecule. The second molecular compound is a double-decker molecule hosting a cerium 4f-ion. In that case, a Kondo resonance is evidenced by STS when it is self-assembled on Ag(111) whereas it is absent on Cu(111). These results are discussed in terms of intermolecular and molecule-metal interactions

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(A)(2) 課題番号:13305005 研究代表者:近藤 博基 研究期間:2001-2004年度