dc.contributor.author
Umbach, Tobias Reinhard
dc.date.accessioned
2018-06-07T14:40:42Z
dc.date.available
2013-11-07T08:56:16.285Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/239
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-4443
dc.description.abstract
This thesis deals with self-organized supramolecular structures on metal
surfaces and their magnetic and electronic properties. To study the systems,
various experimental methods such as Scanning Tunneling Microscopy (STM),
X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS), and X-Ray Magnetic Circular Dichroism
(XMCD) combined with Density Functional Theory (DFT) are applied. We focus on
several aspects of supramolecular structures on metal surfaces. First, the
role of intermolecular and molecule-substrate interactions are discussed
regarding their effect on the self-assembling, charge state, and charge
transfer. Second, we are interested in the magnetic state of metal atoms
embedded in metal-organic networks and the possibility of producing
magnetically coupled supramolecular structures. In the first part, three
different systems of charge-transfer materials on a Au(111) surface were
examined. In the first case, Na atoms and TCNQ molecules organize into ordered
structures accompanied with a charge transfer from the Na atoms to the TCNQ
molecules. Thus, the TCNQ molecules are negatively charged with exactly one
electron. The unpaired spin can be detected by its interaction with Au(111)
surface conduction electrons by a Kondo resonance. Moreover, it could be shown
that the singly occupied TCNQ orbital is deformed by the presence of the
positively charged Na cations affecting the spatial distribution of the Kondo
resonance. When we exchange TCNQ with TNAP molecules we observe that the
underlying metal surface plays a significant role on the electronic properties
of the TNAP molecules. The TNAP molecules within the Na-TNAP layer are charged
with one electron. But only specific TNAP molecules show a spin-Kondo
resonance depending on their adsorption site on the Au(111) herringbone
reconstruction. This is attributed to adsorption-site dependent molecule-
substrate interactions. Replacing the Na atoms by organic TTF molecules also
leads to the formation of ordered structures. By the interplay of molecule-
molecule and moleculesubstrate interactions the TNAP molecules in the TTF-TNAP
system are charged with more than one electron enhancing the charge compared
to the bulk compound. The second part of the thesis is focused on
supramolecular structures consisting of molecules and transition metal atoms.
We show that the network architecture is determined by the choice of the
molecules and metal atoms and can be selectively altered. The different
network architectures also imply different electronic and magnetic properties.
The first described network consists of Cu atoms and T4PT molecules and
exhibits a hexagonal structure on both the Ag(111) and Cu(111) surfaces. The
identical structural and electronic properties on both surfaces indicate that
the formation of the system is mainly ruled by the metal-ligand bonds.
Furthermore, the Cu atoms within the network have no magnetic moment. By
replacing the Cu with Fe atoms an ordered Fe-T4PT network with a bilayer
structure is formed on a Au(111) surface. The first layer exhibits a three-
fold bonding node consisting of three pyridine end groups and a central Fe
atom. An additional T4PT molecule is located on top of each Fe site. Thus, the
Fe atoms are placed in a three-dimensional coordination cavity. The Fe atoms
are in a high spin state and exhibit a magnetic anisotropy with an easy-axis
out-of-plane orientation. Moreover, for the first time, a ferromagnetic
coupling between the Fe atoms in such a system can be observed. The exchange
coupling mechanism is presumably based on super-exchange through the T4PT
molecules. In the final part the dependence of the supramolecular architecture
with respect to the molecular functional end groups is investigated. In this
case we could change the network structure from bilayer to single-layer by the
adequate by the adequate choice of ending groups. This has also an impact on
the network electronic properties.
de
dc.description.abstract
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit selbstorganisierten
supramolekularen Strukturen auf Metalloberflächen und deren magnetischen und
elektronischen Eigenschaften. Zur Untersuchung der Systeme werden verschiedene
experimentelle Methoden wie Rastertunnelmikroskopie (RTM),
Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), zirkularer magnetischer
Röntgendichroismus (XMCD) und Dichtefunktionaltheorie (DFT) angewendet. Zum
einen wird der Effekt von intermolekularen Wechselwirkungen und Molekül-
Substrat-Wechselwirkungen auf die Selbstanordnung, den Ladungstransfer sowie
den Ladungszustand der supramolekularen Strukturen untersucht. Zum anderen
werden die magnetischen Eigenschaften und die Möglichkeit, magnetisch
gekoppelte supramolekulare Strukturen herzustellen, behandelt. Im ersten Teil
der Arbeit werden drei verschiedene Systeme auf einer Au(111)-Metalloberfläche
untersucht: Im ersten Fall organisieren sich Na-Atome und TCNQ-Moleküle zu
geordneten Strukturen und es erfolgt ein Ladungstransfer von einem Elektron
von den Na-Atomen zu den TCNQ-Molekülen. Die TCNQ-Moleküle sind negativ
geladen. Das ungepaarte Elektron wechselwirkt mit den Leitungselektronen der
Au(111)-Metalloberfläche und es kommt zum Auftreten einer Spin-Kondo-Resonanz.
Das einfach besetzte Orbital der TCNQ-Moleküle wird durch die Anwesenheit der
positiv geladenen Na-Kationen stark verformt. Tauscht man TCNQ-Moleküle durch
TNAP-Moleküle aus, kann eine Wechselwirkung des Na-TNAP-Systems mit der
Au(111)-Metalloberfläche beobachtet werden. Die TNAP-Moleküle im Na-TNAP-
System sind ebenfalls mit einem Elektron geladen. Allerdings zeigen nur
spezifische TNAP-Moleküle eine Spin-Kondo-Resonanz, abhängig vom
Adsorptionsplatz bzgl. der Au(111) Rekonstruktion. Werden Na-Atome durch das
organische TTF-Molekül ersetzt, bilden sich geordnete TTF-TNAP-Strukturen.
Durch das Zusammenspiel von Molekül-Molekül und Molekül-Substrat-
Wechselwirkungen sind die TNAP-Moleküle im TTF-TNAP-System mit mehr als einem
Elektron geladen. Dies stellt einen erhöhten Ladungstransfer dar, verglichen
mit dem entsprechenden Festkörper. Der zweite Teil der Arbeit behandelt
supramolekulare Strukturen aus Molekülen und Übergangsmetallatomen. Die
Struktureigenschaften dieser metallorganischen Netzwerke können durch die
geeignete Wahl der Moleküle und Metallatome gezielt verändert werden. Cu-Atome
und T4PT Moleküle auf einer Ag(111)- und Cu(111)-Metalloberfläche organisieren
sich in einem supramolekularen Netzwerk mit hexagonaler Struktur. Das Cu-T4PT-
System zeigt auf beiden Metalloberflächen identische elektronische und
strukturelle Eigenschaften. Die Architektur des Netzwerkes wird hierbei durch
die Bindung zwischen Molekülen und Metallatomen bestimmt. Tauschen wir die Cu-
Atome durch Fe-Atome aus, entstehen geordnete Fe-T4PT-Strukturen auf einer
Au(111)-Metalloberfläche. Das Fe-T4PT-System weist eine Doppelschichtstruktur
auf. In der ersten Lage bilden jeweils drei Pyridin-Endgruppen und ein Fe-Atom
ein dreifach symmetrisches Bindungsmotiv. Ein zusätzliches T4PT-Molekül ist
auf jedem Fe-Atom zentriert. Die Fe-Atome befinden sich daher in einer
dreidimensionalen Koordinationsumgebung und weisen einen Spinzustand S = 2 und
eine magnetische Anisotropie auf. Zudem konnte zum ersten Mal für ein solches
supramolekulares Netzwerk eine ferromagnetische Kopplung zwischen den Fe-
Atomen nachgewiesen werden. Der Kopplungsmechanismus beruht dabei
wahrscheinlich auf einem Superaustausch durch die T4PT-Moleküle. Im letzten
Teil wird die Abhängigkeit der Netzwerkarchitektur bzgl. der funktionellen
Molekülendgruppen untersucht. Dabei können die strukturellen und
elektronischen Eigenschaften durch den Austausch der funktionellen Endgruppen
gezielt geändert werden.
de
dc.format.extent
V, 148 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
charge-transfer complexes
dc.subject
metal-organic networks
dc.subject
scanning tunneling microscopy
dc.subject
X-ray absorption spectroscopy
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.title
Magnetic and Electronic Properties of Supramolecular Architectures on Metal
Surfaces
dc.contributor.contact
toumbach@zedat.fu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. K. Franke
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. W. Kuch
dc.date.accepted
2013-10-30
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000095477-5
dc.title.translated
Magnetische und elektronische Eigenschaften von supramolekularen Netzwerken
auf Metalloberflächen
de
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000095477
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000014350
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access