Untersuchung der Adsorption organischer Moleküle auf Si(001) sowie ioneninduzierter Desorptionsphänomene auf H/Si(001) mittels XPS und STM

Abstract

Die vorliegende Arbeit teilt sich in zwei Hauptaspekte auf, die Adsorption organischer Moleküle auf Si(001) und ioneninduzierte Prozesse auf der wasserstoffbedeckten Si(001)-Oberfläche.Aus den Experimenten zur Adsorption von Methanol auf Si(001) bei unterschiedlichen Adsorptionstemperaturen ging hervor, dass selbst bei Oberflächentemperaturen von 50 K mittels Rastertunnelmikroskopie bzw. 90 K mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie nur die Endzustände der jeweiligen Konfigurationen zu beobachten waren, was auf sehr geringe Konversionsbarrieren zwischen dem dativ gebundenen Zwischenzustand und den kovalent gebundenen Endzuständen hindeutet. Es wurde keinerlei Temperaturabhängigkeit für das Verzweigungsverhältnis der untersuchten Adsorptionskonfigurationen beobachtet, was zudem auf vergleichbare Konversionsbarrieren schließen lässt. Die Ergebnisse dienen als Referenz für zukünftige Experimente zur Adsorption von Cyclooctinalkoholen als Vertreter der bifunktionalen Cyclooctine, für die im Fall von Cyclooctinether und Cyclooctinester eine chemoselektive Reaktivität auf Si(001) über die verspannte C-C-Dreifachbindung nachgewiesen wurde. In dieser Arbeit wurde insbesondere die Adsorption von Ethinyl-cyclopropyl-cyclooctin auf Si(001) untersucht, das es ermöglichen soll, durch die Bereitstellung einer zweiten C-C-Dreifachbindung weitere organische Moleküle an die Oberfläche anzubinden. Die Ergebnisse der Röntgenphotoelektronenspektroskopie können im Rahmen einer intakten Anbindung des Moleküls über die verspannte Dreifachbindung interpretiert werden.Für die Untersuchung der Wechselwirkungen von unterschiedlichen Ionenstrahlarten mit einkristallinem Silizium wurden wasserstoffbedeckte Si(001)-Oberflächen präpariert und vor bzw. nach der Bestrahlung mittels Rastertunnelmikroskopie charakterisiert. Die Passivierung mit Wasserstoff diente der Erhöhung der Empfindlichkeit der Messung auf Ionenschäden. Untersucht wurde die Wechselwirkung der H/Si(001)-Oberfläche mit langsamen, hochgeladenen Xenon-Ionen und schnellen Uran-Ionen. Es konnte dabei erstmals die Wechselwirkung von schnellen Schwerionen auf Halbleiteroberflächen mit atomarer Auflösung untersucht werden. Dies ermöglichte die Bestimmung einer oberen Grenze für ioneninduzierte Schäden auf 1-2 Oberflächenatome. Im Gegensatz dazu wurden für langsame, hochgeladene Xenon-Ionen ausgedehnte Strahlenschäden im Größenbereich weniger Nanometer beobachtet, was einen signifikanten Unterschied zu den Ergebnissen mit schnellen Uran-Ionen darstellt. The presented work is divided into two main aspects, the adsorption of organic molecules on Si(001) and ion-induced processes on hydrogen terminated Si(001).Adsorption experiments of methanol on Si(001) have shown that only the final states of the reaction could be observed, even at surface temperatures as low as 50 K in the case of scanning tunneling microscopy experiments and 90 K in the case of X-ray photoelectron spectroscopy experiments. This indicates very small conversion barriers between the datively bonded intermediate state and the covalently bonded final states. No temperature dependence was observed for the branching ratio of the investigated adsorption configurations indicating very similar conversion barriers for the two pathways. These results can be used as reference for future adsorption experiments with cyclooctyne alcohols as representatives of bifunctional cyclooctynes; for which a chemoselective reaction via the cyclooctynes C-C-triple bond has been shown in the case of cyclooctyne ether and cyclooctyne ester. In this work the adsorption of ethynyl cyclopropyl cyclooctyne on Si(001) was in the focus of our investigations, motivated by its potential to enable the adsorption of further organic molecules through the second C-C-triple bond if it is accessible after adsorption on Si(001). The results of the X-ray photoelectron spectroscopy experiments indeed can be interpreted in terms of a linkage of the intact molecule to the surface through the strained triple bond only.To investigate the interaction of different types of ions with crystalline silicon, hydrogen-terminated Si(001) surfaces were prepared and characterized with scanning tunneling microscopy before and after irradiation. The hydrogen passivation was used to increase the sensitivity of the measurements for ion-induced damage. Both, the interaction of the H/Si(001) surface with slow, highly charged xenon ions and swift uranium ions was studied. For the first time the interaction of swift heavy ions with semiconductor surfaces has been investigated with atomic resolution. This enabled us to determine the upper limit for the ion-induced damage on silicon to be in the range of 1-2 surface atoms. On the contrary, the irradiation experiments with slow, highly charged xenon ions revealed ion-induced damage of the size of a few nanometers thus showing a significant difference to the results obtained with swift uranium ions.