Das grundlegende Verständnis der Adsorption, der Eigenschaften, und der Wechselwirkungen von komplexen organischen Molekülen auf Festkörperoberflächen ist für die Entwicklung neuer Anwendungen in der Nanotechnologie von entscheidender Bedeutung. Die in dieser Arbeit untersuchten funktionellen Bausteine gehören zu den Porphyrinen und Phthalocyaninen. Deren Adsorption, elektronische Struktur, und Reaktionen der Moleküle auf Edelmetalloberflächen wurden mit mehreren Methoden charakterisiert, insbesondere der Rastertunnelmikroskopie, Rastertunnelspektroskopie, Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie und Photoelektronenspektroskopie, welche zudem durch theoretische Simulationen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie ergänzt wurden.
Tetra(p-hydroxyphenyl)porphyrin Moleküle ordnen sich durch Selbstorganisation zu verschiedenen, durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisierten Nanostrukturen an, welche in Abhängigkeit von dem Substratoberflächengitter untersucht wurden um das komplizierte Zusammenspiel von Molekül−Molekül und Molekül−Substrat-Wechselwirkungen bei der Selbstorganisation zu verstehen. Erhitzen der Adsorbatschichten dieses Moleküls führt zu einer schrittweisen Deprotonierung, und außerdem konnte auch ein Schalten der Leitfähigkeit einzelner Porphyrin-Moleküle durch lokale Deprotonierung mittels Spannungspulsen demonstriert werden. Eine Polymerisationsreaktion, welche auf der Ullmann-Reaktion basiert, aber direkt auf einer Oberfläche stattfindet, wurde für Kupfer-octabromotetraphenylporphyrin Moleküle, die auf Au(111) adsorbiert sind, gefunden. Nach einer thermischen Abspaltung der Bromatome von den Molekülen reagieren dabei die Radikalmoleküle bei hohen Temperaturen miteinander und bilden geordnete, kovalent gebundene Netzwerke aus. Die Bromabspaltung und die nachfolgenden Reaktionen und Veränderungen der elektronischen Struktur der Moleküle wurden ausführlich für die Substratoberflächen Au(111) sowie Ag(110) untersucht. Weiterhin, wird die Adsorption und Selbstorganisation von metall-freien Phthalocyanin-Molekülen auf einer Ag(110)-Oberfläche, und deren Selbstmetallierungsreaktion mit Silberatomen des Substrats umfassend und verständlich beschrieben. Zuletzt wurden organische Hybrid-Grenzflächen zwischen verschiedenen Metall-Phthalocyaninen untersucht, wobei ein Ladungstransfer zwischen Kobalt- und Platin-Phthalocyanin-Molekülen gefunden wurde. Dotierung gemischter Metall-Phthalocyanin-Filme durch Einlagerung von Kaliumatomen und deren selektive Adsorption im Molekülgitter führt zu einer deutlichen Veränderung der elektronischen Eigenschaften, aufgrund einer Ladungsübertragung an die Kobalt-Phthalocyanin Moleküle.:List of publications
List of abbreviations
1 Introduction
2 Methods
2.1 Scanning tunneling microscopy
2.1.1 Theoretical description
2.1.2 STM imaging modes
2.1.3 Scanning tunneling spectroscopy
2.1.4 Technical aspect of the STM instrument
2.2 Low energy electron diffraction
2.3 Photoelectron spectroscopy
2.3.1 Principle
2.3.2 Theoretical description
2.3.3 Initial state effects
2.3.4 Final state effects
2.3.5 X-ray source
2.3.6 Technical aspects of PES
2.3.7 Resonant Photoelectron spectroscopy
2.4 Near-edge X-ray absorption fine structure spectroscopy
2.4.1 Principle
2.4.2 Polarization dependence
2.5 Density Functional Theory
2.5.1 Fundamental equations
2.5.2 Exchange-correlation functionals
2.5.3 Dispersion correction
2.5.4 Hubbard U correction
2.5.5 Basis set
2.5.6 Grid-based projector augmented wave (GPAW) method
2.6 Fundamentals of epitaxy and growth of molecular films
3 Experimental and computational details
3.1 Experimental setup
3.2 Sample preparation
3.3 Technical details for measurements
3.3.1 STM
3.3.2 PES
3.3.3 NEXAFS
3.4 Computational details
4 Metal-free tetra(p-hydroxylphenyl)porphyrin (H2THPP)
4.1 Interplay of hydrogen bonding and molecule-substrate interaction in self-assembled supra-molecular structures of H2THPP
4.1.1 Adlayer structures of H2THPP on Au(111)
4.1.2 Adlayer structures of H2THPP on Ag(111)
4.1.3 Adlayer structures of H2THPP on Ag(110)
4.1.4 Calculation of the adsorption energies and discussion
4.2 Manipulation of the electronic structure by local reversible dehydrogenation
4.2.1 STM and STS results
4.2.2 Discussion of the interconversion
4.2.3 Dosing of hydrogen gas on H2THPP
4.3 Photoelectron spectroscopy investigation of the temperature-induced deprotonation
and substrate-mediated hydrogen transfer
4.3.1 Protonation and deprotonation at nitrogen atoms
4.3.2 Deprotonation at carbon atoms
4.3.3 Evolution of the valence band
4.4 Summary
5 Copper-octabromotetraphenylporphyrin (CuTPPBr8)
5.1 Introduction to surface-confined polymerization
5.2 Adsorption and polymerisation of CuTPPBr8 on Au(111)
5.2.1 XPS investigations
5.2.2 STM investigations of the molecular adlayer
5.2.3 DFT calculations
5.3 Adsorption and temperature-dependence of CuTPPBr8 on Ag(110)
5.3.1 XPS and NEXAFS investigations of CuTPPBr8 on Ag(110)
5.3.2 Adlayer structure and adsorption geometry of CuTPPBr8 on Ag(110)
5.4 Summary
6 Metal-free phthalocyanine (H2Pc) on Ag(110)
6.1 Adlayer structures of H2Pc on Ag(110)
6.2 Self-metalation of H2Pc on Ag(110) with silver surface atoms
6.2.1 Introduction to self-metalation
6.2.2 XPS investigations of the self-metalation
6.2.3 STM results of the self-metalation
6.2.4 DFT simulations of the metalation reaction path
6.3 Summary
7 Charge transfer in metallophthalocyanine blends and doping with potassium atoms
7.1 Charge transfer in platinum phthalocyanine – cobalt phthalocyanine dimers
7.1.1 XPS of PtPc−CoPc dimer layers
7.1.2 Resonant photoelectron spectroscopy of PtPc−CoPc dimer layers
7.2 Potassium doping of copper phthalocyanine − cobalt phthalocyanine mixed films
7.2.1 XPS of CuPc−CoPc mixed layers
7.2.2 UPS of CuPc−CoPc mixed layers
7.2.3 NEXAFS of CuPc−CoPc mixed layers
7.2.4 DFT calculations of the CuPc−CoPc dimer and K doping
7.3 Summary
8 Conclusion and outlook
Bibliography
Erklärung
Lebenslauf
Danksagung
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:20620 |
| Date | 07 December 2016 |
| Creators | Smykalla, Lars |
| Contributors | Hietschold, Michael, Seyller, Thomas, Technische Universität Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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