nanosvet v rtg luči - DMFA · 2007. 2. 20. · • adsorpcija na vrhu (A) in med (B) dvema Au(110) vrstama • bocno staknjene molekule vzdolž smeri [1-10] • vecplastna rast pri

Nanosvet v rentgenski luci

izobraževalni seminar

Nanosvet in poucevanje klasicne fizike

Ljubljana, 3. februar 2007

Univerza v LjubljaniFakulteta za matematiko in fiziko

Oddelek za fiziko

Gregor Bavdek

Tanki organski filmiNanosvet v rentgenski luci 1 / 20

alternativna aktivna snov v elektronskih elementihklasicnim polprevodnikom (Si, Ge, GaAs)

klasicni LCD: naparevanje α-Si:H na steklo pri 360 °Corganski LCD: nanos na plasticno folijo pri 50 - 150 °C

Zakaj organski materiali?• tvorijo urejene plasti z veliko mobilnostjo nosilcev naboja• poceni, enostavna uporaba (~1cm2/Vs)

Kaj ponujajo?• svetlece diode v poljubnih barvah• potrošne fotovoltaicne celice• upogljivi tekocekristalni zasloni• …

Kakšne organske molekule?Nanosvet v rentgenski luci 2 / 20

3,4,9,10-perilen-dianhidrid-tetrakarboksilne kisline (PTCDA) bakrov ftalocianin (CuPC)pentacen

Planarne molekule z mocno izraženim elektronskim sistemom

Lastnosti• razsežne anizotropne molekule – nove prostostne stopnje!• med seboj povezane s šibko van der Waalsovo vezjo

Organsko/anorganski heterostikNanosvet v rentgenski luci 3 / 20

Rast tankega filma pentacen/SiO2

C. D. Dimitrakopoulos et al., IBM J. Res. & Dev. 45 (2001) 11

Struktura in rast tankih filmovNanosvet v rentgenski luci 4 / 20

Predmet raziskovanja• moc adsorpcije na kovinske/polprevodniške substrate• nacin rasti• mehanizem urejevanja• razporeditev in orientacija molekul znotraj filma

Motivacija

• meje med monokristalnimi zrni drasticno zmanjšajo prenos naboja• kovinske elektrode povzrocijo lokalno spremembo strukture filma

C. D. Dimitrakopoulos et al., J. Appl. Phys. 80 (1996) 2501

Nanosvet v rentgenski luci 5 / 20

Rentgenska svetlobaNanosvet v rentgenski luci 6 / 20

Povecanje površinske obcutljivosti• zelo velik vpadni kot

αc ≈ 1…6°

rentgenski žarki prodirajo globoko v notranjost kristalov (vec µm)

popolni odboj90° – θ < αc

λ ≈ razdaljam med atomi

Eksperimentalna postavitevŽarkovna linija ALOISA, sinhrotron Elettra, Trst

Komora HASPES• uklon atomov helija• UV, rentgenska spektroskopija• absorpcija X-žarkov

• in-situ rast tankih filmov s socasnim merjenjem

Komora ALOISA• uklon X-žarkov (velik vpadni kot)• rentgenska fotoemisija• absorpcija X-žarkov


Pentacen / Au(110)

Pentacen, C22H14Zakaj pentacen?• tvori termicno stabilne dobro urejene filme• zelo velika mobilnost nosilcev naboja: ~1 cm2/Vs

Lastnosti• planarna molekula z D2h simetrijo• izražen π-konjugiran elektronski sistem

π-skladanje !• anizotropija molekule

anizotropija makroskopskih kolicinmobilnost n.n.: µsmer skl. ~ 1 cm2/Vs,

µamorf. ~ 10-9 cm2/Vs


Au(110)Zakaj Au(110) ?• mocna nagubanost

orientirana rast?

Substrat• ravnovesna struktura:

2x1 rekonstrukcija z manjkajoco vrstovsaka druga vrsta manjka

• (111) mikropovršine, nagnjene za 35°• mocno naguban

nerekonstruiranapovršina


Rezultati tunelske mikroskopije

Prejšnji rezultati

• adsorpcija na vrhu (A) inmed (B) dvema Au(110) vrstama

• bocno staknjene molekule vzdolžsmeri [1-10]

• vecplastna rast pri nadaljevanjunanosa

Guaino et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 2777

adsorpcija v zgodnjih stopnjah rasti, Ts = 470 K


Rezultati He uklona in fotoemisije

T < 150 °C• neurejena (amorfna) rast

Floreano et al., J. Phys. Chem. B 110 (2006) 4908

faza (3 x 6) - model

T > 150 °C• 1 MP saturacijska faza – (3 x 6)• NI tvorbe druge (in višjih) monoplasti• 1 molekula na enotsko celico• dobro urejena – oster uklonski vzorec


Sipanje atomov helijaEvolucija uklonskega spektra med naparevanjem pentacena pri 150 °C

smer [001]


Kakšna je orientacija molekul vtankem filmu pentacen/Au(110) ?

Absorpcija X-žarkovNearEdgeX-rayAbsorptionFineStructure

< atomska orb.i | µ | molekulska orb.f >C 1s MO (π*, σ*)

LUMO

HOMO

Osnove• obicano vzbujamo elektr. K-lupine

(enostavna simetrija, 1 sama orb.)• raziskujemo nezasedena stanja• ugotavljamo smeri kemijskih vezi

SpektroskopijaabsorpcijeX-žarkovv bližini roba


Kotna odvisnost absorpcije

π∗

σ∗

absorpcija zavisi od simetrijezacetne in koncne orbitale

linearni dikroizem (za molekulo)π-prehodi: E X-žarkov || π-sistemσ-prehodi: E X-žarkov || σ-sistem

Elektronski sistem molekule pentacena

• π-sistem ⊥ molekulsko ravnino

• σ-sistem II molekulsko ravnino


benzen

Kotna odvisnost absorpcijeZajemanje v odvisnosti od polarnega kota na žarkovni liniji Aloisa• linearno polarizirani X-žarki, velik vpadni kot

• merimo Augerjev elektronski pridelek kot funkcijo polarnega kota


Vsebina absorpcijskega spektraph

otoe

lect

ron

yiel

d [a

rb. u

nits

]

310305300295290285280photon energy [eV]

C—C σ*

C=C σ* LUMO

LUMO+1

(6x8) pentacene/Au(110) fitted curve gas-phase pentacene



• mocan dikroizem π*- in σ*-resonanc dobra orientacijska urejenost

• skupaj-zlita (hibridizirana) π*-stanja mocna adsorpcija preko π-sistema

Zajem absorpcije kot funkcija polarnega kota:



0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

π in

tens

ity [a

rb. u

nits

]

806040200angle α [°]

0.12

0.08

0.04

0.00σ

intensity [arb. units]

X-ray beam || [001]

σ2π2 Int(π2) ∝ sin2α

Int(σ2) ∝ cos2α

molekulski nagib = 0°

Zakljucki• orientacijsko dobro urejen film• molekule vzporedne s površino


UgotovitveFaza (3 x 6) pentacena/Au(110)• ležece molekule (vzporedne s substratom)• molekule bocno staknjene in urejene v

dolge verige vzdolž smeri [1-10]

Faza(6 x 8) pentacena/Au(110)• 2 neekvivalentni adsorpcijski geometriji:

ležece in pokoncne molekule• verige ležecih molekul enake kot pri (3 x 6)• pokoncne molekule orientirane vzdolž

smeri [1-10] in tvorijo “nano-ograje”


ZakljucekNanosvet v rentgenski luci 20 / 20

• rentgenska absorpcija je mocno orodje pri dolocanju orientacije molekul v organskih strukturah na nanometricnih skalah

• z njo lahko ugotavljamo urejenost molekul v filmu in s tem sklepamo na kvaliteto prenosa nosilcev naboja

Documents

nanosvet v rtg luči - DMFA · 2007. 2. 20. · • adsorpcija na vrhu (A) in med (B) dvema Au(110) vrstama • bocno staknjene molekule vzdolž smeri [1-10] • vecplastna rast pri