Strukturuntersuchung organischer Moleküle auf Au(111)-Oberflächen

Kazempoor, Michel; Voigtländer, Bert

doi:2734

Strukturuntersuchung organischer Moleküle auf Au(111)-Oberflächen = Structure investigation of organic molecules on Au(111) surfaces

Kazempoor, Michel (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michel Kazempoor

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangIII, 122 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Voigtländer, Bert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-02-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-27347
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50651/files/Kazempoor_Michel.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Heterogene Katalyse (Genormte SW) ; Katalyse (Genormte SW) ; Ameisensäure (Genormte SW) ; LEED (Genormte SW) ; Schwingungsspektroskopie (Genormte SW) ; HREELS (Genormte SW) ; Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (Genormte SW) ; Oberflächenanalyse (Genormte SW) ; Adsorption (Genormte SW) ; Chemisorption (Genormte SW) ; Physisorption (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Selbstorganisation (frei) ; Alkanthiole (frei) ; Biphenyle (frei) ; Biphenylalkanthiole (frei) ; Au(111) (frei) ; self assembly (frei) ; biphenylalkanethiol (frei) ; alkanethiol (frei) ; surface (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zwei getrennte Themenbereiche bearbeitet. Die Koadsorption von Ameisensäure und Wasser auf Au(111) Oberflächen wurde mittels Schwingungs- und Photoelektronenspektroskopie (HREELS, XPS) untersucht. Ameisensäure adsorbiert bei 90 K molekular in flach liegenden Zick-Zack Ketten und zeigt Vibrationsmoden, die auch bei fester Ameisensäure beobachtet werden. Die (2r3 x r19) Einheitszelle der Ameisensäureketten wurde mit der Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) bestimmt. Heizen führt zu einer vollständigen Desorption der Ameisensäure. Die sequenzielle Adsorption von Ameisensäure und Wasser bei 90 K zeigt keine signifikanten chemischen Interaktionen. Nach Heizen auf 140 K konnte ein wasserstoffbrückengebundener Komplex aus einem Ameisensäure- und einem Wassermolekül identifiziert werden. Bei weiterem Heizen auf 160 K zersetzt sich der Komplex und es lässt sich wieder molekulare Ameisensäure auf der Oberfläche nachweisen. Bei der Auflösung des Komplexes kann ein Protonentransfer zwischen Ameisensäure und Wasser beobachtet werden. Im zweiten Teil wurde der Einfluss der Alkankettenlänge auf die Struktur von Biphenylalkanthiol-SAMs auf Au(111)Oberflächen untersucht. Eine systematische Untersuchung der BPn-SAMs war mit Schichten möglich, die aus der Gasphase deponiert wurden. Hier konnten für alle untersuchten Alkankettenlängen Strukturen mit LEED bestimmt werden. Die Strukturbildung wurde zudem noch in Abhängigkeit der Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis ca. 400 K untersucht. Um Einflüsse der Präparation auszuschließen, wurden BP3- und BP4-SAMs neben der Adsorption aus der Gasphase auch aus Lösung hergestellt. Dabei zeigten BP4-SAM keine Reflexe mit LEED. Für BP3 konnte ein Einfluss der Präparation auf die Strukturbildung ausgeschlossen werden. Für alle BPn-SAMs wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den LEED- und STM-Daten gefunden. Hieraus sind konsistente Strukturmodelle entwickelt worden, deren Abweichung zu den STM-Daten innerhalb der Fehlertoleranzen der STM-Messung liegen. Damit konnte der Platzbedarf der jeweiligen BPn-Moleküle innerhalb der SAMs ermittelt werden. Des Weiteren konnten aufgrund der verschiedenen Kontrastmechanismen von LEED und STM auch komplementäre Informationen in den Strukturmodellen berücksichtigt werden. Ausgehend von der Annahme, dass der STM-Kontrast empfindlich auf die Ausrichtung der terminalen Methylgruppe der BPn-Moleküle ist und die mit LEED bestimmten Einheitszellen äquivalente Adsorptionsplätze und gleiche Ausrichtungen der Biphenylringe innerhalb der BPn-SAMs beschreiben, wurden Einheitszellen angegeben, die diese Informationen berücksichtigen. Ein Vergleich der pro Molekül eingenommenen Fläche zeigte, dass BPn-SAMs mit ungerader Anzahl an Methylgruppen die am dichtest gepackten Strukturen bilden, was aufgrund des odd-even-Effektes auch erwartet wird. Die Untersuchung der Struktur in Abhängigkeit der Alkankettenlänge zeigte den starken Einfluss der Alkankette auf die Strukturbildung. Nur für BP3 und BP5 konnte dieselbe Struktur bestimmt werden. Die geradzahligen BPn-SAMs zeigten unterschiedliche Einheitszellen. Von der relativ großen Einheitszelle, die von BP2 gebildet wird, konnte abgeleitet werden, dass der Stress, der sich durch die Fehlanpassung zwischen den bevorzugten Adsorptionsplätzen der Thiole und dem Platzbedarf der Biphenylringe ergibt, in der Alkankette kompensiert wird. Von allen hier untersuchten BPn-SAMs konnten nur für BP4-Monolagen verschiedene Phasen beobachtet werden. Der sich aus dem Strukturmodell ergebende Dichteunterschied zwischen der alpha-, beta- und gamma-Phase wurde mit XPS belegt.

The present work covers two topics namely the coadsorption of formic acid and water on Au(111) and the structure of biphenylalkanthiole SAMs on Au(111) surfaces. The coadsorption of formic acid and water on Au(111) surfaces has been investigated by means of vibrational and photoelectron spectroscopy (HREELS, XPS). Formic acid adsorbs at 90 K molecularly with vibrational modes characteristic for flat lying zig-zag chains in the mono- and multilayer regime, like in solid formic acid. The structure of the flat lying formic acid chains was determined by low energy electron diffraction (LEED) as a (2r3 x r19) unit cell. Annealing results in a complete desorption at 190 K. Sequential adsorption of formic acid and water at 90 K shows no significant chemical interaction. Upon annealing the coadsorbed layer to 140 K a hydrogenbonded cyclic complex of formic acid with one water molecule could be identified using isotopically labelled adsorbates. Upon further annealing this complex decomposes leaving molecularly adsorbed formic acid on the surface at 160 K, accompanied by a proton exchange between formic acid and water. The influence of the alkane spacer chain length on the structure of biphenylalkanethiols on Au(111) surfaces was investigated as well. A systematic study was done on BPn-SAMs deposited from the gas phase. For every chain length a structure was found by LEED. Furthermore the influence of temperature on the structure was investigated in the range from room temperature up to about 400 K. To obviate influences from different preparation methods BP3 and BP4 was deposited from gas phase and from solution. No LEED spots were observed on BP4 SAMs deposited from solution. For BP3 an influence of the preparation could be excluded. For all BPn-SAMs a good agreement between LEED and STM data’s was found. Nevertheless different unit cells were determined by LEED and STM consistent structures could be suggested considering the unit cell size given by LEED and the molecular packing given by STM. With these informations the area per molecule could be calculated. In addition complementary information’s given by the different contrast mechanism from LEED and STM could be worked out and included into the given structure models. Based on the assumption that the STM contrast is governed by the orientation of the terminal methyl group and the LEED structure is given by equivalent adsorbed molecules showing the same orientation of the biphenyl rings structures were given taking all the information’s into account. Comparing the occupied area per molecule it was found that BPn-SAMs with an odd number of methyl groups in the alkane chain make more densly packed structures as expected from the odd even effect. Only BP3 and BP5 showed the same structure. For the even numbered BPn SAMs the observed structures varied with the alkane chain length. From the big unit cell observed for BP2 SAMs it was concluded that the stress caused by the misfit of the preferred adsorption sites from the thiole on the Au surface and the required space from the biphenyl rings was compensated in the alkane chain. Only for BP4 SAMs different phases were found. The different packing densities predicted by the structure models for the different BP4 phases could be proved by XPS measurements.

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