Development of Low-Temperature Photon Scanning Probe Microscopy and Nanoscale Characterization of Ultrathin ZnO Layers on Ag(111)

Abstract

Abstract Photon scanning probe microscopy (photon-SPM) provides a promising route to study a lightmatter interaction at the nanometer scale and even down to the single-molecule level, which is an interesting topic not only for fundamental science, but also for a new evolution of nanotechnology. This thesis describes the development of a home-designed low-temperature (LT-) photon-SPM, which combines a parabolic mirror and a lens on the cold STM stage. We demonstrate that this instrument offers a precise beam alignment capability to attain highly reproducible experiments. Using the LT-photon-SPM, we first show a novel plasmon-assisted resonant electron transfer in an scanning tunneling microscope (STM) junction, where resonant electron transfer from a plasmonic tip to field emission resonances (FERs) over a Ag(111) surface is induced by visivble continuous-wave excitation. This process can serve as a simple and intriguing model to examine the interplay between localized surface plasmon excitation and resonant electron transfer in a plasmonic nanocavity. The resonant electron transfer is observed in FER spectroscopy and the plasmon-assisted process is manifested as a downshift of the FER peaks in the spectra. We also examined tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) for ultrathin ZnO layers epitaxially grown on a Ag(111) surface. The local geometric and electronic structure of ZnO/Ag(111) is investigated by combined experiments of STM, STS, and atomic force microscopy. With increasing thickness of the ZnO layers, the conduction band minimum was found to downshift as well as the work function was reduced. Strong TERS signals for 2-ML and 3-ML ZnO were obtained under the conditions where both chemical and physical enhancement mechanisms were satisfied. It is also revealed that the TERS intensity is sensitive to the local electronic structure leading to a high spatial resolution of TERS is below 1 nm.

Kurzfassung Die Photon-Scanning-Probe-Mikroskopie (Photon-SPM) bietet eine vielversprechende Möglichkeit, die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im Nanometerbereich oder sogar bis auf die Ebene einzelner Moleküle zu untersuchen. Dies ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für neue technologische Anwendungen interessant. In dieser Arbeit wurde ein selbstgebautes Tieftemperatur (LT-) Photon-SPM entwickelt und dessen neuartigen Fähigkeiten demonstriert. In das LT-Photon-SPM wurde ein Parabolspiegel mit präziser Bewegungssteuerung integriert, der durch Piezoelemente auf dem kalten SPM-Tisch gesteuert werden und dadurch eine hochwertige und bequeme Ausrichtungsmöglichkeit für die Durchführung reproduzierbare Experimente bietet. Mit dem LT-Photon-STM wurde ein neuartiger resonanter Elektronentransfermechanismus in einer plasmonischen Nanokavität entdeckt, bei dem plasmonisch unterstütztes Elektronentunneln von einer plasmonischen Spitze zu Feldemissionsresonanzen über der Ag(111)-Oberfläche durch CW-Laseranregung im sichtbaren Bereich induziert wird. Korrelationen zwischen der laserinduzierten Änderung der FER-Spektren und den plasmonischen Eigenschaften des Übergangs wurden untersucht. Als Kennzeichen eines plasmonunterstützten resonanten Tunnelprozesses wurde ein Herabschieben des ersten Peaks in den FER-Spektren beobachtet, die der einfallenden Photonenenergie entspricht. Ebenfalls wurde die spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie für ultradünne ZnOSchichten untersucht, die epitaktisch auf einer Ag(111)-Oberfläche gewachsen wurden. Die lokale geometrische und elektronische Struktur von ZnO/Ag(111) wurde durch kombinierte Experimente mit STM, STS und Rasterkraftmikroskopie untersucht. Mit zunehmender Dicke der ZnO-Schichten wurde festgestellt, dass sich die Position des Leitungsbandminimum energetisch verringerte, genauso wie die Austrittsarbeit. Starke TERS-Signale für 2-ML- und 3-ML-ZnO blieben unter Bedingungen erhalten, bei denen sowohl chemische als auch physikalische Verstärkungsmechanismen erfüllt sind. Es hat sich auch gezeigt, dass die TERSIntensität empfindlich gegenüber der lokalen elektronischen Struktur ist, was dazu führt, dass die hohe räumliche Auflösung von TERS unter 1 nm liegt.