Scanning Tunneling Studies on Patterned Noble Metal (111) Substrates

Jensen, Henning ORCID

This thesis comprises low temperature UHV STM and STS experiments. Firstly, the electronic structure of decorated Ag(111) surfaces is explored, with focus on quasielectron lifetimes in Shockley surface states, made accessible by constructing monatomically deep hexagonal and triangular surface vacancies, by argon ion bombardment and tip-substrate impact. Within the resonators, the surface electrons are confined to broadened standing wave states, described well by a particle-in-a-box model. The linewidths show an approximately linear increase with binding energy. The two main contributions identified are the intrinsic lifetime, due to electron-electron and electron-phonon interaction, and lossy scattering at the boundary. An estimate of the relative strength shows that the latter is the limiting factor for lifetime. Comparison of various previously published lifetime data yields a consistent picture. Supplemental experiments on one-dimensional atomic chains and vacancy rows yield the surface state dispersion, and a transmission resonance peak at 1.7 V on the chain. Comparison to adsorbed Ag oligomers shows a decrease in energy with cluster size. Fowler-Nordheim spectroscopy finds a reduced sample work function on the nanostructures. The second part explores the adsorption characteristics of submonolayers of the perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic-dianhydride (PTCDA) molecule on the vicinal Au(111) surfaces Au(788), Au(433), and Au(877). Substrate areas with a high step density prefer formation of molecular chains along the steps, with a strong preference for {111} type steps. Otherwise island formation in the known herringbone and square phases is seen. With increasing sample bias, the molecules undergo a contrast transition in STM, at an energy shifted by 0.35 V between the two phases. A DFT calculation suggests that the transition correlates to the LUMO, and the shift is due to a variation in intermolecular hydrogen bond strength.

Die Arbeit beinhaltet Tieftemperatur-UHV-STM- und STS-Experimente. Die elektronische Struktur von dekorierten Ag(111)-Oberflächen wird untersucht, insbesondere Quasielektronen-Lebensdauern von Shockley-Oberflächenzuständen, die zugänglich gemacht werden durch Erzeugung einatomar tiefer sechs- und dreieckiger Fehlstellen, mittels Argonionen-Beschuss und Spitze-Probe-Kontakten. In den Resonatoren werden die Elektronen in energetisch verbreiterten Stehende-Welle-Zuständen gebunden, die gut durch ein Potentialtopfmodell beschrieben werden. Die Linienbreiten steigen etwa linear mit der Bindungsenergie. Die Hauptbeiträge sind die intrinsische Lebensdauer, aufgrund von Elektron-Elektron- und Elektron-Phonon-Wechselwirkungen, und verlustbehaftete Streuung an den Rändern. Eine Abschätzung der relativen Stärken zeigt, dass letztere den begrenzenden Faktor für die Lebensdauer darstellt. Vergleich mit Daten aus der Literatur ergibt somit ein konsistentes Bild. Experimente auf eindimensionalen Atom- und Fehlstellenketten ergeben die Dispersion des Oberflächenzustands, und auf den Atomketten eine Resonanz bei 1.7 V. Vergleich mit adsorbierten Ag-Oligomeren ergibt eine mit der Clustergröße sinkende Energie. Fowler-Nordheim-Spektroskopie zeigt eine Senkung der Austrittsarbeit auf den Ketten. Der zweite Teil behandelt die Adsorption von Submonolagen von Perylen-3,4,9,10-tetracarboxyl-dianhydrid (PTCDA) auf den Au(111)-vizinalen Oberflächen Au(788), Au(433) und Au(877). Substrate mit hoher Stufendichte begünstigen die Bildung von Molekülketten entlang der Stufen, vornehmlich des {111}-Typs. Andere Substrate zeigen Inselwachstum in den von Au(111) bekannten Quadrat- und Fischgrätenphasen. Ansteigende Probenspannung ergibt in STM einen Kontrastübergang, dessen Energie phasenabhängig um 0.35 V verschoben ist. Eine DFT-Rechnung identifiziert den Übergang mit dem LUMO und erklärt die Verschiebung durch geänderte Bindungsstärke der Wasserstoffbrücken.

Cite

Citation style:

Jensen, Henning: Scanning Tunneling Studies on Patterned Noble Metal (111) Substrates. 2018.

Rights

Use and reproduction:
No CC License (german copyright law applies)

Export