Structural and electronic investigations on homo- and hetero-organic layers involving CuPc on silver single crystal surfaces

Schönauer, Kathrin; Jakob, Peter; Tautz, Frank Stefan

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-011686

Structural and electronic investigations on homo- and hetero-organic layers involving CuPc on silver single crystal surfaces = Strukturelle und elektronische Untersuchungen an homo- und hetero-organischen Schichten mit CuPc auf Silbereinkristalloberflächen

Schönauer, Kathrin

2015 & 2016

VerantwortlichkeitsangabeKathrin Maria Schönauer

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2015

Umfang1 Online-Ressource (x, 148 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-112-5

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Schlüsseltechnologien ; 116

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Druckausgabe: 2015. - Onlineausgabe: 2015. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Tautz, Frank Stefan (Thesis advisor) ; Jakob, Peter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-11-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-011686
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/568244/files/568244.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/568244/files/568244.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrotechnik, Elektronik (frei) ; Chemie (frei) ; organic molecules (frei) ; Ag(110) (frei) ; Ag(111) (frei) ; Copper phthalocyanine (CuPc) (frei) ; Perylene tetracarboxylic dianhydride (PTCDA) (frei) ; Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy (STM, STS) (frei) ; Low-Energy Electron Diffraction (LEED) (frei) ; Photoelectron Spectroscopy (PES) (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
DDC: 540

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit zur Grundlagenforschung der organischen Elektronik werdendie strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Metall-Organik-Grenzflächen untersucht.Drei Variationen des Ausgangssystems, eine homo-molekulare Lage CuPc aufder Ag(111)-Oberfläche, werden mittels STM und LEED auf ihre laterale Struktur undmittels STM-basierter STS und winkelaufgelöster PES auf ihre elektronische Strukturhin vermessen.Für eine zweite Lage CuPc auf der ersten Lage CuPc auf Ag(111) beobachten wireine schwächere Wechselwirkung zwischen den beiden Moleküllagen als zwischen demSubstrat und der ersten Lage. Dadurch können die Moleküle der zweiten Lage einegeneigte Konfiguration annehmen, im Gegensatz zu flach liegenden Molekülen in derersten Lage. Das HOMO von CuPc verschiebt sich mit steigender molekularer Bedeckungzu stärkeren Bindungsenergien. Das (frühere) LUMO, welches in der ersten Lage durchLadungstransport vom Substrat in die Moleküle zum Teil besetzt ist, ist in der zweitenLage aufgrund der schwächeren Wechselwirkung mit dem darunterliegenden Materialunbesetzt.Bei der Untersuchung einer dichten, geschlossenen Lage von CuPc auf Ag(110) istder stärkere Einfluss dieses Substrats auf die Bildung der Moleküllage der offenerenOberfläche mit geringerer Symmetrie zuzuschreiben. Die Metalloberfläche dominiert diemolekulare Anordnung, welche an einigen Stellen, an denen die intermolekulare Wechselwirkungdurchdringt, von Versetzungslinien durchzogen ist. Die eigentlich 4-zähligeSymmetrie der Moleküle wird aufgrund einer Kombination von geometrischen und elektronischenEffekten auf 2-zählig reduziert. Der Teil eines Moleküls, welcher fast parallelzur Ag[001]-Richtung orientiert ist, wird leicht nach unten gebogen, wechselwirkt stärkermit dem Substrat und erhält Ladung vom Silber. Durch diese Asymmetrie wird die ursprünglicheEntartung der beiden Teile des LUMOs aufgehoben.Die Bildung lateral gemischter, geordneter hetero-organischer Schichten aus CuPcund PTCDA auf Ag(110) wird ebenfalls stark vom Substrat beeinflusst. Die Tendenzzur Bildung komplexer, großer Strukturen zeigt sich in den zwei verschiedenen von unsbeobachteten Phasen mit 5 bzw. 9 Molekülen pro Einheitszelle. Messungen der lokalenelektronischen Eigenschaften zeigen, dass das PTCDA LUMO hier mindestens so starkbesetzt ist wie in homo-molekularen PTCDA-Phasen. Das LUMO von CuPc hingegenscheint unbesetzt zu sein, wodurch eine intermolekulare Wechselwirkung mit ungleicherLadungsverteilung angedeutet wird.

In this work we investigate variations of a homo-molecular layer of CuPc adsorbed onthe Ag(111) surface, which is a well known example in research on organic electronicswhere the structural and electronic properties at the metal-organic interface are of interest.Three modifications of the mentioned system are realized by addition of a secondlayer, exchange of the substrate, and addition of a second type of organic molecules.Measurements on the lateral structure are performed by STM and LEED. For experimentson the electronic structure, STM-based differential conductance spectroscopy andangle-resolved PES are applied.For a second layer of CuPc on top of the first layer of CuPc on Ag(111) we observe aweaker interaction between the two molecular layers than between the substrate and thefirst molecular layer. This allows molecules in the second layer to adsorb in an inclinedconfiguration in contrast to the flat lying geometry of molecules in the first layer. TheHOMO of CuPc shifts towards larger binding energies with increasing coverage. The(former) LUMO, which in the first layer is weakly occupied by charge donation fromthe silver substrate, is unoccupied in the second layer because of a significantly weakerinteraction with the underlying material.Experiments on a dense, closed layer of CuPc molecules on the Ag(110) surface reveala stronger effect of this substrate on the layer formation than the Ag(111) surface.The stronger interacting substrate of lower symmetry dominates the formation of thelateral molecular arrangement interspersed by dislocation lines where the intermolecularinteraction breaks through. The initially 4-fold symmetry of the molecules is reduced to2-fold due to a combination of geometric and electronic effects. The part of the moleculethat is is aligned with a more acute angle to the Ag[001] direction is slightly bent down,interacting stronger with the substrate and receiving charge donated by the silver. Bythis asymmetry the original degeneracy of the two parts of the LUMO is lifted.Laterally mixed hetero-organic layers of CuPc and PTCDA on Ag(110) show thestronger influence of the substrate on the formation of ordered structures compared tomixed ordered layers on Ag(111). A tendency to form complex packing motifs is observedand we investigate two different structures that are described by large unit cells comprising5 and 9 molecules, respectively. Measurements on the local electronic structure aredominated by signals from PTCDA molecules and we observe that the PTCDA LUMOis occupied to at least the same degree as it is in a homo-molecular PTCDA layer. TheCuPc LUMO is unoccupied indicating a molecule-molecule interaction with an unequalcharge distribution for the two types of molecules.

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