Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskop
Final Report Abstract
Ein Schwerpunkt der Arbeiten war die Untersuchung dünner organischer Schichten, die mittels Molekularstrahlepitaxie auf einkristalline metallische Substrate aufgebracht wurden. Diese Untersuchungen knüpften an vorhergehende Experimente an, die bei Raumtemperatur durchgeführt wurden. Durch den Einsatz des beschafften Tieftemperatur Gerätes eröffneten sich aufgrund der drastisch verbesserten Driftstabilität, dem erhöhten Signal-zu-Rauschverhältnis sowie der Stabilisierung von Spitzen- und Oberflächenstrukturen während der Untersuchung ein breites Spektrum neuer experimenteller Möglichkeiten. Insbesondere wurden Monolagen von 3,4,9,10-Perylen-Tetracarbonsäure-Dianhydrid (PTCDA) - einem Prototyp organischer Halbleitermaterialien - mittels 3D-Kraftspektroskopie mit submolekularer Auflösung untersucht. Diese Messungen, welche wegen der Messdauer von fast 6 h eine hohe Driftstabilität erforderlich machten, zeigten charakteristische Unterschiede in den Spitze-Molekül-Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen Adsorptionskonfigurationen der Moleküle auf einer Ag(111 )-Oberfläche - ein Effekt, der mit der unterschiedlichen elektronischen Struktur der Adsorbate erklärt werden kann. Die Methode der 3D-Kraftspektroskopie wurde des Weiteren dazu genutzt, die lateralen und vertikalen Kräfte bei der kontrollierten Verschiebung einzelner Moleküle zu messen. Neben detaillierten Einblicken in die Prozesse bei der Manipulation selbst - ein Vorgang, der im Fall der Manipulation mittels dynamischer Rasterkraftmikroskopie noch unverstanden ist - ermöglichten diese Untersuchungen die Quantifizierung der Kräfte, die notwendig sind, um die Energiebarriere für eine laterale Bewegung der Adsorbate entlang der Substratoberfläche zu überwinden. Diese Experimente stellen einen Ausgangspunkt für systematische Untersuchungen von Molekül-Substrat-Wechselwirkungen dar, die wichtige Informationen im Bereich der Oberflächendiffusion oder dem Wachstum organischer Schichten liefern. Da an der Kraftwechselwirkung zwischen der Spitze und der Probe beide Wechselwirkungspartner maßgeblich beteiligt sind, sind Informationen über die Beschaffenheit der Spitze für die Interpretation mittels Rastersondenmikroskopie oder -Spektroskopie erzielter Ergebnisse von immensem Wert. Deshalb wurde ein Feldionenmikroskop (FIM) konstruiert, mithilfe dessen sowohl die atomare Struktur der Spitzenterminierung als auch der Radius metallischer Spitzen von STM und AFM-Sensoren für das LT-SPM mit großer Präzision bestimmt werden können. Derartig charakterisierte Spitzen wurden dann im LT-SPM im Hinblick auf Kraftwechselwirkungen mit einer definierten Probenoberfläche systematisch als Funktion des Spitze-Probe-Abstands und des Spitze-Probe-Potenzials untersucht und die Ergebnisse mit theoretischen Modellen verglichen. Die Übereinstimmung von Experiment und Theorie bestätigte das Potenzial von nc-AFM-Untersuchungen mit FlM-charakterisierten Sensoren, da bei zukünftigen Experimenten durch die Bestimmung der Spitzenstruktur ein entscheidender Unsicherheitsfaktor bei der Deutung der Ergebnisse eliminiert werden kann. Zusätzlich zu den beschriebenen Arbeiten, die im Rahmen des TRR61 mittels Rasterkraftmikroskopie durchgeführt wurden, wurde das LT-SPM innerhalb des SFB858 auch für die Rastertunneimikroskopie eingesetzt Diese Methode erlaubte es, die Struktur organischer Schichten auf leitfähigen Oberflächen zu bestimmen und auf diese Weise die Selbstorganisation neuer, in den kooperierenden Arbeitsgruppen synthetisierter Substanzen auf verschiedenen metallischen Substraten zu untersuchen. Ziel dieses Projekts ist es, die so entstehenden zweidimensionalen Strukturen durch kontrollierte chemische Reaktionen zwischen funktionalen Molekülgruppen zu stabilisieren.
Publications
- Field lon Microscopy Characterized Tips in Noncontact Atomic Force Microscopy: Quantification of Long-range Force Interactions. Physical Review B 87, 115412 (2013)
J. Falter, G. Langewisch, H. Hölscher, H. Fuchs, A. Schirmeisen
- Forces during the Controlled Displacement of Organic Molecules. Physical Review Letters 110, 036101 (2013)
G. Langewisch, J. Falter, H. Fuchs, A. Schirmeisen
- On-Surface Azide-Alkyne Cycloaddition on Au(111). ACS Nano 7, 8509 (2013)
O. Diaz Arado, H. Mönig, H. Wagner, J.-H. Franke, G. Langewisch, P. A. Held, A. Studer, H. Fuchs
- Influence of the adsorption geometry of PTCDA on Ag(111) on the tip-molecule forces in non-contact atomic force microscopy. Beilstein Journal of Nanotechnology 5, 98 (2014)
G. Langewisch, J. Falter, A. Schirmeisen, H. Fuchs
(See online at https://doi.org/10.3762/bjnano.5.9) - Long Jumps of an Organic Molecule Induced by Atomic Force Microscopy Manipulation. Advanced Materials Interfaces 1, 1300013 (2014)
G. Langewisch, J. Falter, A. Schirmeisen, H. Fuchs
(See online at https://doi.org/10.1002/admi.201300013)
