Das Surface-Science Team der Universität Graz um die Professoren Sterrer und Koller (Experimentalphysik) erforscht gemeinsam mit der Arbeitsgruppe Puschnig (Theorie) Grenzflächen von ultradünnen Schichten organischer Halbleiter mit Oberflächen. In Kooperation mit der Universität Tübingen (AG Bettinger und AG Chassé) stand nun ein Molekül-Oxid-Metall-System im Fokus einer kürzlich erschienenen Publikation. Dabei konnten die elektronischen Eigenschaften des Systems nicht nur charakterisiert, sondern auch modifiziert und gesteuert werden.
Erheblichen Beitrag zu den Erkenntnissen leistete das Impulsmikroskop NanoESCA der NAWI Graz Core Facility „Photoemission Electronmicroscopy of Nanomaterials“, eine innovative und hochentwickelte Methode zur Untersuchung der elektronischen Struktur von Nanomaterialien. Bei dieser experimentellen Technik werden Elektronen durch Lichtpulse aus dem System herausgelöst und die Intensität der austretenden Photoelektronen winkelaufgelöst gemessen. Ein Vergleich der experimentellen Daten mit Simulationen liefert nicht nur Informationen über die Energiezustände der Elektronen an der Grenzfläche, sondern erlaubt auch Rückschlüsse auf die sogenannten Molekülorbitale.
Das untersuchte Molekül, Heptacen, gehört zur chemischen Gruppe der Acene und ist ein neuer Verwandter des in der organischen Halbleiterindustrie bereits bestens bekannten Pentacen. Bringt man Heptacen in Kontakt mit einer Kupferoberfläche, werden Elektronen vom Metallsubstrat auf das Molekül übertragen. Die Behandlung mit Sauerstoff passiviert die Oberfläche, wodurch der Ladungstransfer in die adsorbierten Heptacen-Moleküle vollständig unterdrückt wird. Stattdessen verstärkt sich die Wechselwirkung zwischen den Molekülen untereinander. Diese Variation in der elektronischen Struktur zeigt die tiefgreifende Wirkung von Oberflächenpassivierung auf das Verhalten organischer Moleküle auf Metalloberflächen. Steuert man nun die Sauerstoffmenge während der Passivierung, lassen sich etwa 2-4 Nanometer breite Streifen von abwechselnd reinem und passiviertem Kupfer herstellen. Diese Streifen wirken wie eine Schablone, an der sich die Moleküle orientieren und welche die jeweiligen elektronischen Eigenschaften der Moleküle bestimmt. Durch die Herstellung einer solchen Streifenphase gelang es den Grazer Forschern, periodische Nanostrukturen von Heptacen mit und ohne Ladungstransfer in unmittelbarer Nähe auf derselben Oberfläche zu bilden und zu kontrollieren. Diese Ergebnisse vertiefen nicht nur unser Verständnis über molekulare Adsorption, sondern zeigen auch auf, wie molekulare Filme mit maßgeschneiderten elektronischen Eigenschaften durch einen solchen „bottom-up“ Zugang angefertigt werden können.
Die Forschung wurde im Rahmen des FWF-Projektes „Photoemissions-Tomographie angeregter Molekülzustände“ I4145-N36 durchgeführt.
“Orientation, electronic decoupling and band dispersion of heptacene on modified and nanopatterned copper surfaces”
Thomas Boné, Andreas Windischbacher, Lukas Scheucher, Francesco Presel, Paul Schnabl, Marie S Wagner, Holger F Bettinger, Heiko Peisert, Thomas Chassé, Peter Puschnig, Michael G Ramsey, Martin Sterrer, Georg Koller
Journal of Physics: Condensed Matter, 2023 Aug 31;35(47). doi: 10.1088/1361-648X/acf105.
Autoren:
Thomas Boné und Andreas Windischbacher