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Kinetic and thermodynamic considerations on the formation of heteromolecular layers on metal surfaces = Überlegungen zur Kinetik und Thermodynamik bei der Bildung von heteromolekularen Schichten auf Metalloberflächen



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physikerin Caroline Henneke

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (vii, 157, XIV Seiten) : Illustrationen, Diagramme


Dissertation, RWTH Aachen University, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016


Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
; ;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-11-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-062498
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/667469/files/667469.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/667469/files/667469.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

  1. Lehr- und Forschungsgebiet Experimentalphysik (FZ Jülich) (139320)
  2. Fachgruppe Physik (130000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
heteromolecular (frei) ; organic (frei) ; growth (frei) ; LEEM (frei) ; PEEM (frei) ; PTCDA (frei) ; CuPc (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Eine systematische Studie des heteromolekularen Adsorbatsystems aus 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA) und Kupferphthalocyanin (CuPc) auf den Substraten Ag(111) und Cu(001) im Submonolagenbereich wird vorgestellt.Das wichtigste Ergebnis ist das Phasendiagramm des PTCDA-CuPc-Systems auf Ag(111) im kompletten Bedeckungsbereich bis zu einer Monolage bei 300 K. Es enthält acht unterschiedliche Bereiche mit jeweils ein oder zwei unterschiedlichen kristallinen Phasen in Koexistenz mit einer ungeordneten Phase beider Moleküle. In einem neunten Bereich existiert einzig die ungeordnete Phase, die aus beiden Molekülen besteht. Der Grund für dieses komplizierte Phasendiagramm ist die komplexe Wechselwirkung zwischen energetischen Aspekten des Inselwachstums (Adhäsionsenergie) und der vorliegenden Entropie, die beide ausführlich untersucht werden.Die Phasenbildung des PTCDA-CuPc-Systems auf Cu(001) wird stark durch die Aufdampf parameter beeinflusst. Heteromolekulare Phasen wachsen nur, wenn PTCDA auf einen Submonolagenfilm CuPc aufgedampft wird, wo hingegen die PTCDA-Inseln bei der umgekehrten Aufdampfreihenfolge, wenn CuPc auf PTCDA-Submonolagenfilmen aufgedampft wird, unverändert bleiben. Das ändert sich bei Ag(111). Dort werden PTCDA-Inseln in drei unterschiedliche heteromolekulare Phasen mit größer werdender CuPc:PTCDA-Stöchiometrieumgewandelt, wenn CuPc auf einen Submonolagenfilm PTCDA aufgedampft wird. Es wurde herausgefunden, dass die Phasen im thermodynamischen Gleichgewicht sind, da sie nur von Bedeckung (von PTCDA und CuPc) und Temperatur abhängen und nicht wie bei Cu(001) auch von anderen Aufdampfparametern. Dies erlaubt die Bestimmung des oben genannten Phasendiagramms. Seine Form kann mit einem ab-initio Modell ohne Fitparameter erklärt werden. Es basiert auf dem Modell der intermetallischen Verbindung bei einer Monolage und der zusätzlichen Annahme, dass verschiedene kritische Dichten von CuPc in der ungeordneten Phase für das Wachstum jeder heteromolekularen Phase überschritten werden müssen. Die Existenz solcher kritischen Dichten kann durch das Wechselspiel zwischen der intermolekularen PTCDA-CuPc Wechselwirkung und der Entropie des Gesamtsystems erklärt werden.In einem vorangestellten Teil der Arbeit werden beide homomolekularen Systeme charakterisiert, da dies notwendig für die erfolgreiche Analyse des heteromolekularen Systems ist. Es wurde herausgefunden, dass eine starke attraktive Wechselwirkung das Wachstum von PTCDA dominiert, wohingegen entropische Effekte das Wachstum von CuPc durch deren schwache intermolekulare Wechselwirkung beeinflussen können.Die Charakterisierung von sowohl den homo- als auch den heteromolekularen Systemen zeigt, dass ein verbessertes Verständnis der Selbstorganisation von Molekülen auf Oberflächen die gezielte Produktion von kommerziell genutzten organischen Schichten mit gewünschten Eigenschaften ermöglicht.

A systematic study of the growth of a heteromolecular adsorbate system consisting of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA) and copper phthalocyanine (CuPc) on the substrates Ag(111) and Cu(001) in the submonolayer regime is presented.The key finding is the phase diagram of the PTCDA-CuPc system on Ag(111) in the complete coverage regime up to 1 ML at 300 K. It contains eight different regions with one or two different crystalline phases which coexist with areas of a disordered phase of both molecules. Only the disordered phase is present on the surface in a ninth region. The reason for this complicated phase diagram is the complex interplay between energetic aspectsof the island formation (adhesion energy) and the involved entropic effects which are both investigated in detail.The phase formation is strongly influenced by the deposition parameters for the PTCDA-CuPc system on Cu(001). Heteromolecular phases only grow when PTCDA is deposited on a submonolayer film of CuPc, while the PTCDA islands remain unchanged for the reversed deposition sequence when CuPc is deposited on a submonolayer film of PTCDA. This is different on Ag(111). PTCDA islands are transformed into three different heteromolecular phases with increasing CuPc:PTCDA stoichiometry during the deposition of CuPc on a submonolayer film of PTCDA. It is found that the phases are in thermodynamic equilibrium since they only depend on coverage (of CuPc and PTCDA) and temperature, but (in contrast to Cu(001)) not on other deposition parameters. This allows the determination of the above mentioned phase diagram. Its form can be explained by an ab-initio model without any fit parameters. It is based on the model for an intermetallic compound at 1 ML coverages and includes the additional assumption that critical densities of CuPc in the disordered phase must be exceeded for the growth of each heteromolecular phase. The existence of such critical densities of CuPc can be explained by the interplay between the intermolecular PTCDA-CuPc interactions and the entropy of the entire system. Both homomolecular systems were characterized in a prefixed part of the work since their understanding is essential for a successful analysis of the heteromolecular system. Here, it is found that the strong attractive intermolecular interaction dominates the growth of PTCDA, while entropic effects can influence the growth of CuPc molecules due to their weakly repulsive interaction.The characterization of both homo- and heteromolecular systems shows that an improved understanding of the self-assembly of molecules on surfaces enables the selective fabrication of heteromolecular thin films with desired properties which potentially influences the production of commercially used organic layers.

OpenAccess:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT019071756

Interne Identnummern
RWTH-2016-06249
Datensatz-ID: 667469

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mathematics, Computer Science and Natural Sciences (Fac.1) > Department of Physics
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Public records
Publications database
139320
130000

 Record created 2016-08-21, last modified 2023-04-08