High-resolution spectro-microscopic investigations of organic thin film growth

Abstract

The SMART (spectro-microscope for all relevant techniques) is an energy filtered aberration corrected spectro-microscope. It is designed for high lateral resolution (below 2 nm), high energy resolution (100 meV) and high transmission. It is shown that the aberration corrector can simultaneously compensate for both, the spherical and chromatic aberrations of the objective lens. Moreover the spectro-microscope has world-wide the highest energy resolution better then 180 meV. Throughout the construction phase a variety of complementary probing tools is used investigate the growth properties of 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic acid dianhydride (PTCDA) thin films on the Ag(1 1 1) and Au(1 1 1) surfaces. For this system, various contrast mechanisms and imaging properties are discussed. The effective attenuation length is determined for the photoemission of low energy electrons. The geometric phase contrast in electron reflectivity is found also at the substrate steps buried under PTCDA layers. The first imaging of the quantum size effect in electron reflectivity is presented. The direct real time microscopic observation of the PTCDA growth on the Ag(1 1 1) substrate is exploited for the first time. Above room temperature PTCDA grows in a Stranski-Krastanov fashion: after completion of the first two stable layers threedimensional island (3D) are formed. At lower temperatures up to 7 layers coexist with the 3D-islands. The substrate morphology is found to influence the diffusion on the clean metal surface, but less on a PTCDA surface. During the growth metastable layers are formed, and their stability and evolution is described with a kinetic model. Finally, the evolution of interface bond properties is monitored with in-situ PES. The molecular orientation is determined by NEXAFS, and evidence of x-ray natural circular dichroism is found in the 3D-islands.

Das SMART (spectro-microscope for all relevant techniques) ist ein energiegefiltertes und aberrationskorrigiertes Spektromikroskop, das für eine hohe Orts- (unter 2 nm) und Energieauflösung (100 meV) sowie für hohe Transmission ausgelegt ist. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass die Aberrationskorrektur gleichzeitig sowohl die sphärischen als auch die chromatischen Fehler der Objektivlinse kompensiert. Darüberhinaus hat das Spektromikroskop mit weniger als 180 meV die weltweit höchste Energieauflösung für Photoelektronenemissionsmikroskope (PEEM) erreicht. Während der Aufbauphase wurde eine Vielzahl von komplementären Methoden zur Untersuchung der Wachstumseigenschaften von 3,4,9,10-Perylene-Tetracarboxylic Acid Dianhydride (PTCDA) Dünnschichten auf Ag(1 1 1) und Au(1 1 1) Oberflächen angewendet. Für diese Systeme werden verschiedene Kontrastmechanismen diskutiert. Die effektive Eindringtiefe wurde bei der Photoemission von niederenergetischen Elektronen bestimmt. Der geometrische Phasenkontrast bei der Elektronenreflektivität wurde auch bei Substratstufen gefunden, die unter einer PTCDA Schicht begraben sind. Erstmals wurde der Quantum size effect bei der Elektronenreflektivität für organische Schichten gezeigt. Die direkte mikroskopische Echtzeitbeobachtung wurde erstmalig für das PTCDA Wachstums auf der Ag(1 1 1) Oberfläche angewendet. Oberhalb der Raumtemperatur wächst PTCDA im Stranski-Krastanov Modus: auf zwei geschlossenen, stabilen Lagen bilden sich dreidimensionale (3D) Inseln aus. Dagegen können bei tieferen Temperaturen bis zu sieben Lagen dicke Bereiche gleichzeitig neben 3D Inseln existieren. Es zeigte sich, dass die Substratmorphologie die Diffusion der Moleküle auf der reinen Metalloberfläche beeinflusst, jedoch weniger auf der PTCDA Oberfläche. Während des Wachstums bilden sich metastabile Lagen aus, deren Stabilität und Entwicklung mit einem kinetischen Modell beschrieben wird. Schlielich wurde die Entwicklung der Grenzschichtbindungseigenschaften mit in-situ Photoemissionsspektroskopie (PES) aufgezeichnet. Die Molekülorientierung wurde mit Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie bestimmt. Es wurden Anzeichen für einen X-ray Natural Circular Dichroism (XNCD) bei den 3D Inseln gefunden.