Structural and electronic characterization of hetero-organic NTCDA-CuPc adsorbate systems on Ag(111)

Schröder, Sonja; Gottfried, Michael; Kumpf, Christian

doi:HT018886817

Structural and electronic characterization of hetero-organic NTCDA-CuPc adsorbate systems on Ag(111) = Charaktierisung der Struktur und der elektronischen Eigenschaften von heteroorganischen NTCDA-CuPc Adsorbatsystmen auf Ag(111)

Schröder, Sonja

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physikerin Sonja Schröder aus Mannheim

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (154 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kumpf, Christian (Thesis advisor) ; Gottfried, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-07-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-002166
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565927/files/565927.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565927/files/565927.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; organic semiconductors (frei) ; adsorption geometry (frei) ; electronic structure (frei) ; surface physics (frei) ; organische Halbleiter (frei) ; Adsorptionsgeometrie (frei) ; elektronische Struktur (frei) ; Oberflächenphysik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Organische Solarzellen haben viele Vorteile gegenüber anorganischen Bauteilen, wie z.B. geringere Kosten, dünnere aktive Schichten und eine einfachere Produktion. Um aber mit anorganischen Solarzellen konkurrieren zu können, muss deren Effizienz gesteigert werden. Da bekannt ist, dass der Ladungstransport von der Anordnung der Moleküle abhängt, werden verschiedene Akzeptor-Donator Systeme untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine systematische Studie von lateral und vertikal gemischten Strukturen des Ladungsakzeptors 1,4,5,8-Naphthalin-Tetracarbonsäure-Dianhydrid (NTCDA) und des Donators Kupferphthalocyanin (CuPc) auf Ag(111) gezeigt.Da die Größe und Form der Einheitszelle durch verschiedene stoichometrische Mischungsverhältnisse der beiden Moleküle beeinflusst werden kann, wurden lateral gemischte Strukturen untersucht. NTCDA und CuPc bilden fünf verschiedene, bedeckungsabhängige, gemischte Strukturen auf Ag(111), die im Vergleich zu Heterostrukturen aus PTCDA-CuPc erstaunlich große Einheitszellen formen.Eine Angleichung der Adsorptionshöhen der Moleküle wurde für die CuPc-reiche und die NTCDA-reiche Phase festgestellt, wie es bereits früher Stadtmüller et al. für PTCDA und CuPc beobachteten. Die Moleküle befinden sich allerdings in der NTCDA-reichen Phase im Vergleich zu ihren homomolekularen Strukturen auf einer niedrigeren Höhe. Verschieden helle Kontraste der NTCDA Moleküle in STM Bildern, weisen darauf hin, dass die NTCDA Moleküle sich auf unterschiedlichen Adsorptionshöhen befinden. Die Untersuchungen der elektronischen Eigenschaften durch ARPES und STS zeigten, dass das niedrigste unbesetzte molekulare Orbital (LUMO) von NTCDA stärker als für die homomolekulare Struktur gefüllt ist und dass das LUMO von CuPc leer ist. Dies bestätigt das Model der Ladungsreorganisation für Heterostrukturen von Stadtmüller et al., die vermuten, dass die Elektronen vom Donator (CuPc) über das Substrat zum Akzeptor (PTCDA) transferiert werden. Unsere Messungen haben bestätigt, dass NTCDA ebenso in der Lage ist die gesamte Ladung, die ihm vom CuPc angeboten wird, aufzunehmen, obwohl es ein schwächerer Ladungsakzeptor als PTCDA ist. Die Untersuchung von drei vertikal gestapelten NTCDA-CuPc Systemen, CuPc auf einer relaxierten (RML) und auf einer komprimierten Monolage (CML) von NTCDA und NTCDA auf einer ML aus CuPc, ermöglichte es die Wechselwirkung zwischen den organischen Schichten zu studieren. Molekülaustausch zwischen den Schichten wurde für CuPc auf der RML von NTCDA und für NTCDA auf der ML aus CuPc beobachtet. Die CuPc Moleküle haben ausreichend Platz zwischen den NTCDA Molekülen der RML zu adsorbieren. Die 10 % dichtere Packungsdichte der komprimierten ML hält die CuPc Moleküle davon ab in die erste Lage zu diffundieren. Zusätzlich orientieren sich die CuPc Moleküle auf der komprimierten ML von NTCDA bevorzugt entlang der Hochsymmetrierichtungen des Substrates. ARPES Messungen belegen, dass die CuPc Moleküle in der zweiten Lage eine stärkere Bindung der NTCDA Moleküle zum Substrat verursachen, allerdings kann ein Ladungstransfer in die zweite Lage ausgeschlossen werden.

Organic solar cells have many advantages compared to inorganic devices e.g. lower costs, thinner active layers and easier production, but to compete with the inorganic solar cells their efficiency has to be increased. Different acceptor-donor systems therefore have to be studied as it is known that charge transport depends on molecular geometry of the unit cell. In this work a systematic study of laterally and vertically mixed structures of the charge acceptor 1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic-dianhydride (NTCDA) and the donor copper-II-phthalocyanine (CuPc) adsorbed on Ag(111) is presented.Laterally mixed layers were studied, where the unit cell size and shape can be tuned by using different stoichiometric ratios of both molecules. NTCDA and CuPc form five coverage dependent mixed structures on Ag(111) with (uni-axial) commensurate substrate relations, which have surprisingly large unit cells, compared to PTCDA-CuPc heteromolecular systems. An adsorption height alignment of the molecules was found for a CuPc-rich and a NTCDA-rich phase, as was earlier observed for PTCDA and CuPc by Stadtmüller et al. The molecules are however adsorbed at lower heights compared to their homomolecular structures in the NTCDA-rich phase. Differences in the contrast of the NTCDA molecules in STM images indicate that the NTCDAs are located at different adsorption heights. The study of the electronic properties by ARPES and STS showed that the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of NTCDA is more populated than in the homomolecular structure and the LUMO of CuPc is empty. This confirms the model of charge reorganization of Stadtmüller et al., who claimed that the electrons are transferred from the donor (CuPc) via the substrate to the charge acceptor (PTCDA). Our measurements proved that NTCDA is able to take up the whole charge offered by CuPc, although it is a weaker charge acceptor than PTCDA.The investigation of three differently stacked NTCDA-CuPc systems, CuPc molecules on top of a relaxed (RML) and a compressed monolayer (CML) of NTCDA and NTCDA on a monolayer of CuPc on Ag(111), allowed for the study of the interaction between the organic layers. Molecular exchange was observed for CuPc on the RML of NTCDA and for NTCDA on a ML of CuPc. The CuPc molecules have sufficient space to adsorb between the NTCDAs of the RML. The 10 % higher packing density of the CML compared to the RML however prevents the CuPc molecules from diffusing into the first layer. Furthermore the CuPc molecules on the compressed ML of NTCDA preferentially align on the high symmetry directions of the substrate. ARPES measurements proved that the CuPcs in the second layer lead to a stronger bonding of the NTCDA molecules to the substrate, but charge transfer to the second layer can be excluded.

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