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Local probing and manipulation of molecules and nanoscale contacts with scanning tunneling microscopy

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Datum

2010

Autor:innen

Ohmann, Robin

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Open Access-Veröffentlichung
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Titel in einer weiteren Sprache

Lokale Untersuchung und Manipulation von Molekülen und nanoskaligen Kontakten mittels Rastertunnelmikroskopie
Publikationstyp
Dissertation
Publikationsstatus
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Zusammenfassung

In this thesis single molecules, metal-organic complexes and single adatoms are characterized on a metal surface by means of scanning tunneling microscopy (STM). Specifically the organic molecule 4-[trans-2-(pyrid-4-yl-vinyl)] benzoic acid (PVBA) is primarily in the focus. The molecule has two functional groups, a pyridyl and a carboxylic group connected by a vinyl group giving rise to versatile electronic properties and interaction mechanisms. The PVBA molecules are deposited by molecular beam epitaxy on a Cu(111) substrate. Furthermore, Co is deposited on Cu(111) to study the properties of a single magnetic atom on the surface and in contact with the tip. The experimental studies are supported by calculations performed in collaboration with theoretical groups and are reported here to strengthen the interpretation of the experimental results allowing an enhanced view of the investigated structures from a different perspective.
In Chapter 2 an overview of the theoretical background on scanning tunneling microscopy and spectroscopy is given. Other important spectroscopic techniques employed in this study, such as time resolved and point-contact spectroscopy are introduced. Besides an explanation of the experimental setup, a short introduction to density functional theory is given.

In Chapter 3 the adsorption and electronic properties of single PVBA molecules and selfassembled supra-molecular structures are investigated by scanning tunneling microscopy and spectroscopy. Specific emphasis is given to the chiral nature of PVBA on the surface.

In Chapter 4 the molecule-surface interface is investigated in detail. Measuring the current vs. tip-sample distance allows to unravel information about the potential barrier on and surrounding a molecule. Another aspect of this interface is the direct interaction of the molecules with the substrate. The adsorption geometry of PVBA serves to reveal information about the interaction with the substrate and the role of sub-surface atomic layers is explored. On surfaces such as Cu(111), a surface state exists, which lets electrons behave as a nearly free two-dimensional electron gas. Such electrons can scatter at adsorbates, such as single atoms or molecules. Due to the particle-wave duality this results in a characteristic interference pattern surrounding the adsorbate. The correlation between these patterns and the internal structure of adsorbed scatterers, such as molecules and metalorganic complexes, is presented, whereas specific emphasis is devoted to chiral scatterers.

In Chapter 5 the use of the scanning tunneling microscope as a nanotool to manipulate adsorbates on the surface is reported. Two main techniques are employed to generate a displacement and modification of the adsorbates. Whereas in one case the adsorbate, such as a single adatom, is moved mechanically with the apex of the tip, in the other cases controlled voltage pulses are applied to manipulate and chemically modify single atoms and molecular structures. The formation of a metal-ligand bond of a single Cu atom and a PVBA molecule is explored. Furthermore, a transitory bond, where the bonding state varies as a function of time, is found for a self-assembled metal complex consisting of two PVBA molecules and one Cu atom. This is characterized spatially and temporally and the results are compared to the electronic structure measurements of the complex given in Chapter 3. By applying large voltages the molecule is subject to chemical changes. Several processes will be identified ranging from deprotonation, dehydrogentaion to a decomposition of PVBA. At the end of this chapter the formation of Co dimers is investigated by applying an electric field leading to an enhanced lateral movement of single atoms on the surface, which drives the system towards the formation of dimers.

In the last Chapter investigations of operating the microscope in the point contact regime are reported. This regime is accessed by bringing the tip much closer to the surface than in the tunneling regime. As an example for single atom contacts, individual Co adatoms on Cu(111) are studied. Because Co atoms are single magnetic impurities with a localized spin, the itinerant electrons of the supporting non-magnetic metal surface can lead to a new many-body ground state in which the localized impurity spin is screened. This so called Kondo effect is sensitive to the geometry of the surface and serves to investigate the role of the atomic arrangement in the contact. The point contact experiments are expanded to single molecules and molecular structures. The contact of an STM tip to the adsorbates and the resulting conductance behavior is explored. Furthermore, a procedure is developed that allows to pick-up a molecule onto the tip and to measure the transport characteristics through the entire molecule.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

In dieser Arbeit werden mit dem Rastertunnelmikroskop (STM) molekulare Nanostrukturen und einzelne adsorbierte Atome auf einer Metalloberfläche charakterisiert. Dabei wird das Mikroskop nicht nur zur topographischen Abbildung verwendet, sondern insbesondere die elektronischen Eigenschaften werden mittels der Rastertunnelspektroskopie (STS) und der relativ neuen Methode der Punktkontaktspektrosopie (PCS) untersucht. Des Weiteren wird das Mikroskop zur räumlichen und chemischen Manipulation von Adsorbaten eingesetzt.

Das organische Molekül 4-[trans-2-(Pyrid-4-yl-vinyl)] Benzoesäure (PVBA) wird mittels Molekularstrahlepitaxie im Ultrahochvakuum auf eine Cu(111) Oberfläche aufgedampft und anschließend bei 6 K im STM untersucht. PVBA besteht aus zwei funktionellen Endgruppen: einem Pyridylring und einer Benzoesäure. Diese sind über eine Vinylgruppe miteinander verbunden. Diese vielfältigen Gruppen eröffnen mehrere Möglichkeiten der Wechselwirkung mit der Oberfläche und anderen Adsorbaten.

Die Adsorption des Moleküls auf der Oberfläche wird zunächst untersucht. Dabei wird speziell auf den prochiralen Charakter des Moleküls eingegangen. Die Prochiralität ist eine Eigenschaft von Verbindungen, die eine Vorform der Chiralität enthalten. Sie besitzen eine Symmetrieebene, die den Raum um das Molekül in zwei spiegelbildliche - nicht identische - Halbräume teilt. Durch Änderung jeweils eines Halbraumes, zum Beispiel durch Adsorption an eine Oberfläche, wird das Molekül chiral und zwei zueinander spiegelbildliche, sogenannte Enantiomere entstehen. Diese zeigen eine unterschiedliche geometrische Ausrichtung zum Substrat und insbesondere werden ihre elektronischen Eigenschaften studiert. Neben den einzelnen Molekülen entstehen supramolekulare Strukturen auf der Oberfläche. Die am häufigsten vorkommenden werden als metallorganische Komplexverbindungen identifiziert. Diese bestehen aus zwei PVBA Molekülen, welche mit der Stickstoffterminierten Seite über ein Kupferatom verbunden sind. Ihre Entstehung und ihre elektronischen Eigenschaften werden diskutiert. Insbesondere lassen sich mittels STS Molekülorbitale abbilden, welche die supramolekulare Chiralität direkt visualisieren.

Weiterhin ist die Molekül-Substrat-Grenzfläche im Fokus der Untersuchungen. Durch Adsorption des Moleküls auf der Metalloberfläche ändert sich die Austrittsarbeit im Vergleich zur reinen Oberfläche des Substrates. Die Änderung wird durch Variation des Spitze- Probe Abstandes bei gleichzeitiger Messung des Stromes bestimmt. Es zeigt sich eine positionsabhängige Änderung im sub-molekularen Bereich welche diskutiert wird und in Beziehung zu den internen Eigenschaften des Moleküls und der Wechselwirkung mit dem Substrat gesetzt wird. Des Weiteren lassen sich von bevorzugten Adsorptionsrichtungen des Moleküls auf der Oberfläche Rückschlüsse auf die Wechselwirkung mit tiefer im Substrat liegenden Atomlagen ziehen. An Oberflächen können Elektronen in Oberflächenzuständen gebunden sein, welche zur Ausbildung eines quasi zwei-dimensionalen Elektronengases führt. Diese Elektronen werden an Adsorbaten gestreut. Es bilden sich charakteristische Interferenzmuster, welche studiert und in Beziehung zur internen Struktur der Adsorbate gesetzt werden. Im Speziellen wird auf chirale Streuer eingegangen und mögliche langreichweitige Wechselwirkungen diskutiert.

Mittels der Nutzung des STMs als Manipulationswerkzeug werden neue Strukturen erzeugt. Ein einzelnes Kupferatom wird auf der Oberfläche bewegt und in Kontakt mit einem Molekül gebracht. Der entstehende metallorganische Komplex wird auf seine elektronischen Eigenschaften untersucht und mit den selbstorganisierten Nanostrukturen verglichen.

Des Weiteren lassen sich durch das Anlegen einer Spannung zwischen der STM-Spitze und der Probe die Moleküle chemisch verändern. Insbesondere wird das räumlich und zeitlich aufgelöste reversible Verhalten bei der Entstehung und Brechung einer Metall-Ligand-Bindung, welche in den Metallkomplexen vorkommt, gezeigt. Bei relativ großen Spannungen (>2 V) wird eine irreversible chemische Modifikation des Moleküls beobachtet. Außerdem wird der Einfluss des elektrischen Feldes zwischen Spitze und Probe auf die Diffusion von einzelnen adsorbierten Atomen studiert.

Neben der Untersuchung der Elektronen, welche durch die Potentialbarriere zwischen Probe und Spitze tunneln, kann man die Spitze soweit an die Probe bringen, dass diese Barriere überbrückt wird und einen Kontakt mit dem Adsorbat bildet. Einzelne adsorbierte Kobaltatome werden mit dieser Methode auf der Kupferoberfläche untersucht. Diese eignen sich im Besonderen, da sie ein magnetisches Moment besitzen und den Kondoeffekt zeigen. Dabei schirmen die umgebenden Leitungsbandelektronen des Substrats den Spin des Atoms ab. Dieser Effekt ist abhängig von der Position der Nachbaratome. Somit kann der Einfluss der Geometrie beim Punktkontakt genau untersucht werden. Des Weiteren werden Resultate aus Punktkontaktexperimenten auf dem PVBA Molekül und Metallkomplexen beschrieben.

Ein Großteil der experimentellen Ergebnisse wird durch Rechnungen mit der Dichtefunktionaltheorie in Kooperation mit Theoretikern unterstützt.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

Scanning Tunneling Spectroscopy, supramolecular chirality, local density of states, nanoelectromechanical system, point contact spectroscopy

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Rezension
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ISO 690OHMANN, Robin, 2010. Local probing and manipulation of molecules and nanoscale contacts with scanning tunneling microscopy [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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The experimental studies are supported by calculations performed in collaboration with theoretical groups and are reported here to strengthen the interpretation of the experimental results allowing an enhanced view of the investigated structures from a different perspective.&lt;br /&gt;In Chapter 2 an overview of the theoretical background on scanning tunneling microscopy and spectroscopy is given. Other important spectroscopic techniques employed in this study, such as time resolved and point-contact spectroscopy are introduced. Besides an explanation of the experimental setup, a short introduction to density functional theory is given.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;In Chapter 3 the adsorption and electronic properties of single PVBA molecules and selfassembled supra-molecular structures are investigated by scanning tunneling microscopy and spectroscopy. Specific emphasis is given to the chiral nature of PVBA on the surface.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;In Chapter 4 the molecule-surface interface is investigated in detail. Measuring the current vs. tip-sample distance allows to unravel information about the potential barrier on and surrounding a molecule. Another aspect of this interface is the direct interaction of the molecules with the substrate. The adsorption geometry of PVBA serves to reveal information about the interaction with the substrate and the role of sub-surface atomic layers is explored. On surfaces such as Cu(111), a surface state exists, which lets electrons behave as a nearly free two-dimensional electron gas. Such electrons can scatter at adsorbates, such as single atoms or molecules. Due to the particle-wave duality this results in a characteristic interference pattern surrounding the adsorbate. The correlation between these patterns and the internal structure of adsorbed scatterers, such as molecules and metalorganic complexes, is presented, whereas specific emphasis is devoted to chiral scatterers.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;In Chapter 5 the use of the scanning tunneling microscope as a nanotool to manipulate adsorbates on the surface is reported. Two main techniques are employed to generate a displacement and modification of the adsorbates. Whereas in one case the adsorbate, such as a single adatom, is moved mechanically with the apex of the tip, in the other cases controlled voltage pulses are applied to manipulate and chemically modify single atoms and molecular structures. The formation of a metal-ligand bond of a single Cu atom and a PVBA molecule is explored. Furthermore, a transitory bond, where the bonding state varies as a function of time, is found for a self-assembled metal complex consisting of two PVBA molecules and one Cu atom. This is characterized spatially and temporally and the results are compared to the electronic structure measurements of the complex given in Chapter 3. By applying large voltages the molecule is subject to chemical changes. Several processes will be identified ranging from deprotonation, dehydrogentaion to a decomposition of PVBA. At the end of this chapter the formation of Co dimers is investigated by applying an electric field leading to an enhanced lateral movement of single atoms on the surface, which drives the system towards the formation of dimers.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;In the last Chapter investigations of operating the microscope in the point contact regime are reported. This regime is accessed by bringing the tip much closer to the surface than in the tunneling regime. As an example for single atom contacts, individual Co adatoms on Cu(111) are studied. 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October 6, 2010
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