XPS- und STM-Untersuchung zur Adsorption bifunktionaler organischer Moleküle auf Si(001)

Abstract

Diese Arbeit behandelt verschiedene Aspekte der Funktionalisierung der Si(001)-Oberfläche mit bifunktionalen organischen Molekülen und ist dabei in drei Teilprojekte gegliedert.Mit der Reaktion des Benzylazids 1-(azidomethyl)-4-methylbenzol auf Si(001) wurde zuerst ein System untersucht, bei dem die möglichen Endzustände im Vordergrund standen. Es konnte mittels STM- und XPS-Messungen sowie durch DFTRechnungen unserer Kooperationspartner gezeigt werden, dass das Benzylazid via N2-Eliminierung in zwei verschiedene Endzustände reagiert. Es existiert ein ausschließlich über den verbleibenden Stickstoff an die Oberfläche gebundener Zustand und ein zusätzlich mit dem Benzolring anbindender zweiter Endzustand. Die Verteilung der Zustände liegt bei etwa 1 : 1, wobei eine Konversion zwischen den Konfigurationen nur in sehr kleiner Zahl beobachtet wurde. Außerdem wurde mittels STM und mit Hilfe der DFT-Rechnungen ein bei 50 K stabiler Zwischenzustand gefunden, bei dem die drei Stickstoffatome des Azids gemeinsam mit einem Si-Dimer einen Fünf-Ring bilden.Ausgehend von der Kenntnis zur Adsorption auf sauberem Silizium konnten diese Ergebnisse als Referenz für die Adsorption organischer Schichten bifunktionaler Moleküle genutzt werden, da sich das Azid sehr gut für die zweite Lage auf mittels Ethinyl-cyclopropyl-cyclooctin (ECCO) funktionalisiertem Silizium eignet. ECCO bindet selektiv an die Si-Oberfläche, sodass stets die Ethinylgruppe als Angriffspunkt für weitere Adsorptionen zur Verfügung steht. Es konnten, unter bestimmten experimentellen Rahmenbedingungen und in geringem Maße, die Kupplung zwischen der Azidgruppe und der Ethinylgruppe des Cyclooctins mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie nachgewiesen werden.Die Wechselwirkung zwischen funktionellen Gruppen in einem Molekül und deren gegenseitige Beeinflussung bei der Adsorption wurde anhand der Allylether Allyl-Methylether und Allyl-Ethylether untersucht. Die Allylether reagieren, wie vom Diethylether bekannt, dissoziativ. Es konnten jeweils vier potentielle Endkonfigurationen detektiert werden, wobei je zwei, abhängig von der Position der Etherspaltung, nicht voneinander unterscheidbar sind. Bei Temperaturen von 150 K konnte nur ein kleiner Anteil des Gesamtsignals einem dativ gebundenen, zeitlich stabilen Zwischenzustand zugeordnet werden. Dies steht im Kontrast zu den Ergebnissen der Adsorption des Diethylethers bei dieser Temperatur, für den nahezu ausschließlich der dative Zwischenzustand beobachtet wird.In allen drei Fällen zeigte sich die Komplexität der untersuchten Reaktionen. Nur bei einem guten Verständnis dieser Prozesse ist es möglich, diese organischen Moleküle in Anwendungen wie zum Beispiel der molekularen Elektronik einzusetzen. This work covers different aspects of functionalization of the Si(001) surface with bifunctional organic molecules, it is divided in three parts.For the first system, the reaction of the benzylazide 1-(azidomethyl)-4-methylbenzol on Si(001) was studied. The focus of the study was on possible final states. Using STM- and XPS-measurements, as well as DFT-calculations by our collaboration partners, we could show that the benzylazide reacts via N2-elimination into two different final states. One state is exclusively bound to the surface via the remaining nitrogen-atom, the other state is additionally bound to the surface via the benzyl ring. The distribution of these two states is approximately 1 : 1, the conversion between the two states is only observed with low rate at room temperature. Furthermore, an intermediate state, stable at 50 K, with its three nitrogen-atoms forming a five-ring with the silicon dimer, was identified by means of STM and in combination with DFT-calculations.Starting with this knowledge on the adsorption of benzylazide on clean silicon, the results could be used as reference for the studies on organic layers of bifunctional molecules, because the azide is very well suited as second layer on top of ethynylcyclopropyl-cyclooctyne (ECCO)-functionalized silicon. ECCO adsorbs selectively on the silicon surface via the strained triple bond, thus the ethynyl group can act as a binding site for further adsorption. Under particular experimental conditions and in small measure, coupling between the azide group and the ethynyl group of ECCO could be confirmed by means of XPS at well chosen experimental conditions and in small measure.Interaction between different functional groups in one molecule and their mutual influence on the adsorption on Si(001) was studied with two allyl ethers: allyl methyl ether and allyl ethyl ether. These allyl ethers react under dissociation of the ether group as known from diethyl ether. Four potential final configurations were identified, pairs of two were not distinguishable by means of XPS. At temperatures of 150 K, just a small fraction of the total signal could be assigned to a datively bound, stable intermediate state. This is in contrast to results of diethyl ether at this temperature, for which the intermediate state is detected almost exclusively.All three systems showed rather complex reaction schemes, good understanding of these processes is thus necessary to use these organic molecules in applications such as, e.g., in molecular electronics.