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Elektronenspektroskopie an dünnen Filmen schaltbarer Moleküle

Ludwig, Eric Benjamin - Christian-Albrechts-Universität Kiel (2014)


Die Funktionalisierung von Festkorperoberflächen mit organischen Molekülschaltern ist ein Ansatz im Zuge der Entwicklung von neuartigen technischen Bauteilen auf Basis von mikroskopischen Materialeigenschaften, der seit einigen Jahren in der Grundlagenforschung verfolgt wird. Eine wesentliche Herausforderung ist dabei die Entkopplung der Moleküle von der Substratoberfläche in einer Art und Weise, dass ein Aufbringen problemlos möglich ist, gleichzeitig jedoch die Schalteffizienz nicht zu stark beeinträchtigt wird. Insbesondere der Kopplung zwischen elektronischen Zuständen in Adsorbat und Substrat kommt dabei eine entscheidende Bedeutung zu. Das Ziel dieser Arbeit ist daher, mit verschiedenen Methoden der Photoelektronenspektroskopie die elektronische Struktur von zwei Molekülschalter/Substrat-Modellsystemen zu untersuchen, um weitere Entwicklungswege zur Realisierung effizienter Oberflächenfunktionalisierung abzuleiten.

Hier wird zunächst die Möglichkeit erforscht, den molekularen Photoschalter Azobenzol auf Übergangsmetalldichalkogenide aufzubringen. Diese Materialien zeigen aufgrund ihrer ausgeprägten Schichtstruktur keine ungesättigten Bindungen an der Oberfläche. Als Substrate werden das semimetallische 1T-TiTe2 und das halbleitende 1T-HfS2 verwendet, um auch den Einfluss der elektronischen Struktur auf die adsorbierten Azobenzol-Moleküle aufklären zu können. Das Wachstum von Azobenzol-Schichten wird mit Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie untersucht, Röntgenabsorptionsspektroskopie erlaubt den Zugriff auf die Adsorptionsgeometrie. Die Ergebnisse zeigen, dass Azobenzol sich auf beiden Substraten ahnlich verhält und die elektronische Struktur des Substrates nur geringen Einfluss hat. Zunächst wachsen einzelne Molekülschichten auf, ab etwa 9 Å geht das Wachstum in ungeordneteres dreidimensionales Inselwachstum über. An der Grenzschicht zum Substrat bildet sich zudem lediglich eine sehr geringe Dipolbarriere aus. Darüber hinaus kann erfolgreiches trans-zu-cis-Photoschalten in der obersten Moleküllage demonstriert werden. Diese Ergebnisse sprechen insgesamt für sehr schwache Wechselwirkungen zwischen Substrat und Adsorbat-Molekülen. Dies macht Übergangsmetalldichlakogenide zu einem geeigneten Kandidaten für die Adsorption und Untersuchung weiterer organischer Molekülschalter.

Erstmals werden in dieser Arbeit hochaufgelöste Messungen der schwach gebundenen elektronischen Struktur von dünnen Schichten des Spincrossover-Komplexes Fe(H2bpz)2(phen) auf einer Au(111)-Oberfläche prasentiert. Mit diesen Untersuchungen kann der Zusammenhang der elektronischen Valenzstruktur dieses Materials mit den temperatur- und lichtinduzierten Spin-Übergangen aufgezeigt werden und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie als wertvolles Werkzeug zur Untersuchung von Spincrossover-Systemen etabliert werden. Zudem wird erstmals beobachtet, dass ein metastabiler Spinzustand auch bei Beleuchtung mit Photonen einer Energie von 21.22 eV angeregt wird. Das Relaxationsverhalten des Komplexes kann in dieser Arbeit auch im thermisch aktivierten Temperaturbereich studiert werden und ähnelt dem Verhalten von amorphen Nanokristallen verwandter Systeme.

Mit den Ergebnissen dieser Arbeit wird die Perspektive eroffnet, die Wechselwirkungen zwischen adsorbierten molekularen Schaltern und einem Substrat bei der Verwendung von Übergangsmetalldichalkogeniden schon durch die Wahl des Substrats selbst zu reduzieren. Diese Möglichkeit bietet sich insbesondere an, um bei Spincrossover-Materialien die Funktionalität auch in (Sub-)Monolagen zu erhalten.


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