UHV-Kombinationsgerät für Photoelektronenspektroskopie und Rastertunnelmikroskopie
Final Report Abstract
Das Gerät wird zur Untersuchung von Oberflächen und Grenzflächen eingesetzt und verfügt über die Methoden Photoelektronenspektroskopie (XPS, UPS) und Rastertunnelmikroskopie (STM). Damit können sowohl die chemische Zusammensetzung (XPS) und die elektronische Struktur (UPS) als auch die geometrische Struktur auf atomarer Skala (STM) untersucht werden. Durch die Kombination dieser Methoden in einem Gerät kann jede Probe umfassend charakterisiert werden, und zwar ohne aufwendige Probentransfers zwischen verschiedenen Geräten, bei denen Kontaminationen und zeitliche oder temperaturbedingte Veränderungen auftreten können. In den ersten drei Jahren seit Inbetriebnahme wurde das Gerät bei folgenden Projekten eingesetzt: 1. Oberflächengestützte Synthesen: Mit Hilfe der oberflächengestützten Synthese werden komplexe organische und metallorganische Moleküle und Nanostrukturen unter lösungsmittelfreien Bedingungen auf Oberflächen erzeugt. Kombinierte katalytische und templatbedingte Einflüsse der Substratoberfläche erlauben dabei die Synthese von Verbindungen, die auf andere Weise – beispielsweise in Lösung – nicht oder nur sehr schwer herstellbar sind. Beispiele sind ausgedehnte konjugierte Ringsysteme ([n]-honeycombenes) sowie ein- und zweidimensionale konjugierte Polymere. Daneben sind auch kettenartige metallorganische Polymere ein wichtiger Untersuchungsgegenstand. Da die Nanostrukturen sowohl hinsichtlich der geometrischen Struktur als auch hinsichtlich der Zusammensetzung und der elektronischen Struktur charakterisiert werden müssen, ist das Kombinationsgerät hier von großem Vorteil. 2. Innere Grenzflächen zwischen molekularen organischen Halbleitern und Metallen: Solche Grenzflächen treten in elektronischen Bauelementen wie organischen Leuchtdioden (OLEDs) auf. Ihre Eigenschaften bestimmen dabei wesentliche Funktionsparameter wie die Injektionsrate von Ladungsträgern. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1083 untersuchen wir daher Struktur und Eigenschaften solcher Grenzflächen, insbesondere Interdiffusionsprozesse und chemische Reaktionen zwischen den beteiligten Phasen. Die dabei gebildeten Interphasen werden mittels Photoelektronenspektroskopie analysiert. Zur Bestimmung der Konzentrations-Tiefenprofile wurde dabei die Variation der Photonenenergie (Al Kα und Ag Lα) intensiv genutzt. Anhand geeigneter Modellsysteme auf der Basis von aromatischen Tetrapyrrolen konnten wir zeigen, dass sich an den Metall/Organik-Grenzflächen ausgedehnte Interphasen bilden können, die aus den entsprechenden Metallkomplexen bestehen. Die Dicke dieser Interphasen hängt stark von den Präparationsbedingungen der Grenzfläche ab und beträgt typischerweise einige Nanometer. Die elektronischen Eigenschaften dieser Interphasen unterscheiden sich deutlich von denen des ursprünglichen organischen Halbleiters, so dass Einflüsse auf die Funktion zu erwarten sind. 3. Oberflächenchemie von Porphyrinen, Phthalocyaninen und Corrolen: In diesem Projekt werden koordinationschemische Reaktionen zwischen den genannten Ligandmolekülen und Metallen sowie die Reaktionen der dabei entstehenden Metallkomplexe mit anderen Molekülen untersucht. Auch hier wurden alle Funktionen des Gerätes genutzt, um die geometrische Struktur und die chemischen und elektronischen Eigenschaften der Proben zu untersuchen. Besonders hervorzuheben ist hier die direkte Metallierung von adsorbierten Corrolen. Das Metallzentrum in den dabei gebildeten Metallocorrolen unterscheidet sich auch in der Monolage hinsichtlich der elektronischen Eigenschaften deutlich von dem in den entsprechenden Metalloporphyrinen. Darüber hinaus gelang die Synthese von substituierten Phthalocyaninen und anderen Oligomeren auf Oberflächen durch (Zyklo)oligomerisierung von Carbondinitrilen. 4. Materialuntersuchungen: XPS-Untersuchungen zur Materialcharakterisierung wurden in Kooperation mit anderen Arbeitsgruppen am Fachbereich Chemie vorgenommen.
Publications
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M. Zugermeier, M. Gruber, M. Schmid, B. Klein, L. Ruppenthal, P. Müller, R. Einholz, W. Hieringer, R. Berndt, H. F. Bettinger, J. M. Gottfried
(See online at https://doi.org/10.1039/C7NR04157H)
