I 3731 Exploring the foundations of photoemission tomography
 
Project
Abstract
Scientists/Scholars
Project Publications
Further Activities
Cooperations
Final Report

Abstract English

As is generally known, in quantum mechanics a well-defined position and momentum of a particle has to be replaced by a complex-valued wave function, an orbital, whose absolute value squared describes the probability density of finding a particle. Of particular interest are the orbitals of the valence band which exhibit the lowest binding energies and are involved in chemical interactions. These valence band orbitals constitute the specific chemical, electrical and optical properties of atoms, molecules or novel nano-structures. Experimental methods to determine the characteristics of orbitals are ranging from femto-second laser spectroscopy to scanning probe techniques at ultra-cold temperatures. Although these approaches have attracted broad interest, there are several limitations, for instance, only rather simple molecules under restricted conditions, such as ultra-cold temperatures to prevent molecular diffusion, can be investigated. In contrast, the experimental approach used within this proposal, angle-resolved photoemission spectroscopy, can also be applied at technological relevant temperatures and for a large range of molecule / substrate combinations. Moreover, our method, that we termed photoemission tomography, offers the possibility to obtain images of molecular orbitals in three dimensions. To this end, a single crystalline sample, onto which the organic molecules have been deposited under ultra high vacuum conditions, is illuminated with ultra-violet (UV) light. The photoemitted electrons (photoelectric effect) are then analyzed in terms of their energy and their angular distribution. However, the interpretation of the experimental data is not straight forward. Specifically, certain assumptions have to be made about the quantum mechanical final state into which the electron is transferred from its initial bound state. The most simple ansatz is to use a free electron state, a plane wave, for this final state. This approximation offers the advantage that the experimental data can be interpreted in a particularly simple manner, which allows one, among other possibilities, to determine molecular geometries, measure momentum distributions of electrons in orbitals and to reconstruct orbital images. The aim of this project is to explore under which experimental conditions - including the geometry of the experimental setup, the energy of the exciting UV light, or the type and size of the investigated molecules - these simplifying assumptions about the final state lead to reliable results. Our team, consisting of surface scientists from the University of Graz and the Forschungszentrum Jülich and experts in metrology and the generation of UV light from synchrotron radiation from the Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Berlin, will conduct a series of well-designed experiments to trace out the range of validity of the plane wave approximation. In order to interpret the experimental results and to theoretically predict to which extent the final state differs from such a free-electron state, the project team also comprises experts from the University of Graz in the field of quantum mechanical ab-initio calculations for the electronic structure of molecules and molecular interfaces. The possibility to image molecular orbitals of technological relevant molecules will, on the one hand, certainly widen our fundamental understanding of the concept of quantum mechanical electron orbitals. On the other hand, our results will also allow for the detailed investigation of physical and chemical processes and the interface between organic molecules and inorganic surfaces. Possible technological applications include the tailoring of catalytic surfaces, sensors, novel molecules and nano-structures to be used for energy harvesting (e.g. photovoltaics) or energy storage, or the identification and characterization of yet unknown molecular species.

 

Abstract German

In der Quantenmechanik tritt bekanntlich an die Stelle eines scharf definierten Orts eines Teilchens die Wellenfunktion, deren Betragsquadrat die Aufenthaltswahrscheinlichkeits-dichte eines Teilchens beschreibt, auch Orbitale genannt. Von besonderem Interesse sind die Orbitale des Valenzbandes, welche die niedrigsten Bindungsenergien aufweisen und in chemische Bindungen am stärksten involviert sind. Diese Valenzbandorbitale definieren die spezifischen chemischen, elektrischen und optischen Eigenschaften vom einfachsten Molekül bis hin zu komplexen, neuartigen Nanostrukturen. Die zur Bestimmung von Orbitalen angewandte experimentelle Methodik spannt einen weiten Bogen von der Femtosekunden-Hochleistungs-Laserspektroskopie bis hin zu Tiefsttemperatur-Rastersonden-Methoden. Obwohl diese Ansätze auf allgemeines und breites Interesse gestoßen sind, so waren sie bislang doch nur für wenige, einfache Moleküle oder unter sehr eingeschränkten Bedingungen erfolgreich, etwa, weil wegen der Moleküldiffusion das Kühlen mit flüssigem Helium auf ultrakalte Probentemperaturen notwendig ist. Im Gegensatz dazu ist der von uns gewählte experimentelle Ansatz der winkelaufgelösten Photoemissions-Spektroskopie auch auf technologisch relevante Temperaturen und Molekül-Substrat-Systeme anwendbar. Darüber hinaus bietet unsere Methode, die wir Photoelektronen-Tomographie genannt haben, die Möglichkeit, erstmals auch dreidimensionale Bilder von Orbitalen organischer Moleküle zu erhalten. Dabei wird eine Probe, auf der die zu untersuchenden Moleküle im Ultrahochvakuum aufgebracht wurden, mit UV-Licht beleuchtet, worauf die herausgelösten Elektronen in Bezug auf deren Winkelverteilung und Energie detektiert werden. Allerdings ist die Interpretation dieser experimentellen Daten nicht ganz einfach. Insbesondere müssen Annahmen über den quantenmechanischen Endzustand beim Übertritt des Elektrons vom gebundenen Molekülorbital zum herausgelösten Elektron getroffen werden. Der einfachste Ansatz hierfür ist ein freier Elektronenzustand. Diese Näherung bietet den Vorteil, dass die experimentellen Ergebnisse besonders einfach interpretiert werden können, was unter anderem die Bestimmung von Molekülgeometrien, oder Impulsverteilungen der Elektronen bis hin zu Orbitalbildern ermöglicht. In diesem Projekt soll nun untersucht werden, unter welchen Rahmenbedingungen (das sind geometrische Parameter des Versuchsaufbaus, die Energie des anregenden UV-Lichts, die Art und Größe der untersuchten Moleküle) diese vereinfachenden Annahmen sinnvoll eingesetzt werden können. Mit einem Team bestehend aus Oberflächenphysikern von der Universität Graz und dem Forschungszentrum Jülich sowie mit einem Expertenteam zur Erzeugung von UV-Licht mittels Synchrotronstrahlungsquellen von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Berlin sind dazu eine Reihe von Experimenten geplant, die den Gültigkeitsbereich der freien Elektronen-Näherung abstecken sollen. Um die experimentelle Ergebnisse zu interpretieren und um vorherzusagen, in welchem Maße der Endzustand der Photoemission von einem Freie-Teilchen-Zustand abweicht, wird das das Projektteam noch durch Experten auf dem Gebiet der quantenmechanischen ab-initio Berechnung elektronischer Eigenschaften der Universität Graz verstärkt. Die Möglichkeit, Orbitale technologisch relevanter Moleküle abzubilden, wird zweifelsohne unser grundlegendes Verständnis des Konzepts quantenmechanischer Elektronenorbitale erweitern. Dies erlaubt etwa die detaillierte Untersuchung vieler physikalischer und chemischer Prozesse an der Grenzfläche zwischen Molekülen und Oberflächen. Beispiele bilden das Maßschneidern von katalytischen Oberflächen, Sensoren, neuartigen Molekülen und Nanostrukturen aus dem Bereich Energiegewinnung, etwa Photovoltaik, und Energiespeicherung, aber auch die Identifizierung und Charakterisierung unbekannter Moleküle.

 
 
 

With support from
FWF Der Wissenschaftsfonds