Modulation of electronic and magnetic properties of nanostructures on a monolayer of MoS2/Au(111): Investigated by STM/AFM

Abstract

Fundamental electronic and magnetic properties of single atoms and molecules depend crucially on their immediate environment. Understanding its exact influence allows for the manipulation and thus tailoring of said properties. In this thesis, we investigate four different nanostructures on a monolayer of MoS2/Au(111) by means of scanning tunnelling microscopy (STM) and atomic force microscopy (AFM). First, single sulfur vacancies in the MoS2 layer were investigated. Here, the missing sulfur atoms are imaged with a three-fold symmetric shape in the STM topographies. Several defect related in-gap states were observed by scanning tunnelling spectroscopy (STS), most prominently a sharp resonance at zero bias. We identified it as a Kondo resonance by temperature and magnetic field dependent measurements. For defects located in regions of the MoS2, where the underlying Au(111) was missing, the Kondo resonance was absent, probably due to a different charge state of the defect. We then investigated the magnetic properties of single iron atoms on the MoS2 monolayer. We found that the exact position of the atoms in the moiré superstructure, which forms due to the lattice missmatch of the MoS2 and the underlying Au(111), has a crucial impact on those properties. Atoms on the moiré minimum exhibit an inelastic excitation, which is a signature of a spin-flip excitation and atoms on the moiré maximum show a Kondo resonance, which is a sign of increased spin screening by the substrate electrons. The transition between those two observed features was continuous along the moiré structure. We explain these changes by a local variation of the density of states along the moiré modulation. An impact of the moiré was also observed on single manganese atoms: they exhibit a Kondo resonance in the weak coupling regime, with the amplitude varying along the moiré. We were able to manipulate single manganese atoms into dimers and found three distinct regimes of interatomic exchange coupling, depending on their atom separation. We focused on the dimers with the closest spacing of one atomic lattice site. They show a direct exchange coupling, which leads to a singlet ground state. The excitation energy from the ground state to the excited triplet state also varies along the moiré structure. In a model calculation we establish that the hybridisation of manganese d-levels with substrate electrons leads to a renormalisation of the singlet-triplet excitation energy. A comparison of experimental values and theoretical prediction suggests that several conduction channels are involved in the renormalisation. Finally, the high-dipole molecule Ethyl-DADQ was investigated. Pre-characterisations on a bare Au(111) substrate show that the molecular dipole is preserved and that the molecules cause a local lowering of the work function of the substrate. The investigations on MoS2 allow for a better energy resolution, which helps to resolve several vibronic sidebands of the positive ion resonance. Their intensities vary depending on the electrostatic environment of the molecule, suggesting a partial damping of some vibrational modes.

Wesentliche elektronische und magnetische Eigenschaften von einzelnen Atomen und Molekülen hängen von ihrer unmittelbaren Umgebung ab. Den direkten Einfluss dieser zu verstehen erlaubt die Kontrolle und Manipulation dieser Eigenschaften. In dieser Arbeit untersuchen wir vier verschiedene Nanostrukturen auf einer Monolage MoS2 /Au(111) mit Rastertunnel (RTM)- und Rasterkraftmikroskopie. Als erstes schauen wir auf einzelne Schwefelfehlstellen in der MoS2 Monolage. Wir haben die Fehlstellen als dreizählig symmetrische Form in den RTM Topographien abgebildet. Mehrere Zustände dieser Defekte konnten in der Bandlücke mit Rastertunnelspektroskopie nachgewiesen werden, darunter auch ein Zustand am Ferminiveau. Dieser konnte mit Hilfe von temperatur- und magnetfeldabhängigen Messungen einer Kondo Resonanz zugewiesen werden. In Defekten im MoS2, wo das darunterliegende Au(111) fehlt, war dieser Zustand nicht ausgeprägt, was für einen anderen Ladungszustand des Defektes sprechen kann. Infolge haben wir die magnetischen Eigenschaften von einzelnen Eisenatomen untersucht. Diese Eigenschaften hängen sehr stark von der Position der Atome in der Moiré-Struktur ab, die sich aufgrund eines Unterschiedes in den Gitterkonstanten der MoS2 Schicht und der Au(111) Oberfläche bildet. Atome im Minimum der Moiré-Struktur zeigen inelastische Spin-Flip-Anregungen, und Atome im Maximum der Struktur zeigen eine Kondo Resonanz, die auf eine Abschirmung des Spins durch Substratelektronen hinweist. Der Übergang zwischen diesen beiden Phänomenen erfolgt kontinuierlich über der Moiré-Struktur. Wir erklären den Unterschied mit einer sich über der Moiré-Ordnung ändernden lokalen Zustandsdichte. Die Moiré-Struktur beeinflusst auch die Spektren von einzelnen Manganatomen: diese zeigen eine Kondo Resonanz im schwach gekoppelten Regime, deren Amplitude sich entlang des Moiré-Musters ändert. Wir konnten einzelne Atome zu Dimeren manipulieren und fanden drei verschiedene Kopplungsregime, die sich mit dem Abstand der Atome zueinander verändern. Wir haben uns auf Dimere konzentriert, deren Atome eine atomare Gitterkonstante entfernt waren. Diese sind mittels einer direkten Austauschwechselwirkung gekoppelt und haben einen Singlet Grundzustand. Die Anregungsenergie vom Grundzustand in den Tripletzustand ändert sich je nach der Position in der Moiré-Struktur. In einer störungstheoretischen Rechnung fanden wir, dass die Hybridisierung der Mangan d-Niveaus mit Substratzuständen zu einer Renormalisierung der Anregungsenergie führen kann. Ein Vergleich zwischen den theoretisch erwarteten und experimentellen Werten deutet darauf hin, dass mehrere Elektronenkanäle an der Renormierung beteiligt sind. Zum Schluss haben wir das Ethyl-DADQ Molekül untersucht, welches ein hohes Dipolmoment aufweist. Erste Charakterisierungen auf einer Au(111) Oberfläche zeigen, dass der Dipol erhalten bleibt und die Moleküle die Austrittsarbeit des Substrates lokal absenken. Die Messungen auf dem MoS2 ermöglichten es vibronische Anregungen der positiven Ionenresonanz aufzulösen. Die Intensität derer ist sehr sensitiv auf die unmittelbare elektrostatische Umgebung der Moleküle, was auf eine teilweise Dämpfung einzelner Vibrationen hindeutet.