TY  - THES
A1  - Sauer, Christoph
T1  - Accessing molecule-metal and hetero-molecular interfaces with direct and resonant photoelectron spectroscopy
T1  - Untersuchung von Molekül/Metall- und heteromolekularen Grenzflächen mittels direkter und resonanter Photoelektronenspektroskopie
N2  - This thesis consists of two parts of original experimental work, its evaluation, and in- terpretation. Its final goal is to investigate dynamical charge transfer (CT) at a hetero- molecular interface with resonant photoelectron spectroscopy (RPES). In order to achieve this goal preliminary studies have been necessary. First two hetero-molecular inter- faces that exhibit adequate structural properties as well as an appropriate photoelec- tron spectroscopy (PES) spectrum of the valence regime have been identified. The de- sired CT analysis with RPES of these hetero-molecular systems is then conducted on the basis of the knowledge gained by previous RPES studies of homo-molecular sys- tems.
The characterization of hetero-molecular films on single crystal Ag surfaces in the first part of this thesis is performed with high resolution core level PES and valence PES. The reproduction of the core level PES data with reference spectra of homo-molecular films allows me to determine which molecule is in direct contact to the Ag surface and which one is situated in higher layers (not the first one). Due to the direct correspon- dence of core level and valence PES the assignment of features in the spectra of the latter technique can be achieved with the identification of the contributions extracted from the evaluation of the data of the former technique. It is found that the systems PTCDA on one monolayer (ML) of SnPc on Ag(111) and CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) are stable at 300 K which means that no significant layer exchange occurs for these systems. In contrast a vertical exchange of CuPc and PTCDA molecules is observed for PTCDA de- posited on top of 1 ML CuPc/Ag(111). Up to a coverage of approximately 0.5 ML of PTCDA molecules these diffuse into the first layer, replace CuPc molecules, and con- sequently force them into higher layers. Above a coverage of approximately 0.5 ML of PTCDA molecules these are also found in higher layers. The search for a promising system for the intended RPES study then leads to an investigation of hetero-molecular films with a combination of F4TCNQ and PTCDA molecules on Ag(110) within the same approach. Depositing F4TCNQ molecules onto a 1 ML PTCDA/Ag(110) film in the herringbone phase at 300 K results in an instable hetero-organic system which un- dergoes a layer exchange. Hereby PTCDA molecules in the first layer are replaced by F4TCNQ molecules similar to the behavior of the system PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111). Switching the order of the preparation steps leads to a stable film of PTCDA/1.0 ML F4TCNQ/Ag(110) at 300 K. Among the stable hetero-molecular films only the system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) exhibits the required wetting growth of the first two layers at 300 K and a valence PES spectrum with energetically separable molecular orbital signals in the same intensity range. Thus this system is identified to be appropriate for a detailed analysis with RPES.
The unexpected findings of vertical exchanges in the hetero-molecular films at 300 K motivate a study of the behavior at elevated temperatures for all systems investigated before. Therein it is revealed that annealing 1.5 ML SnPc/1 ML PTCDA/Ag(111) and
1.0 ML PTCDA/1 ML SnPc/Ag(111) to a temperature above the desorption temperature of molecules not in direct contact to the Ag(111) surface results in a 1 ML SnPc/Ag(111) film in both cases. Hence at elevated temperatures (approximately above 420 K) SnPc molecules replace PTCDA molecules in the first layer on Ag(111). At higher temper- atures (approximately above 470 K) PTCDA molecules and SnPc molecules situated above the first layer then desorb from the 1 ML SnPc/Ag(111) sample. Annealing all hetero-molecular films with CuPc and PTCDA molecules on Ag(111) to 570 K leads to a sample with CuPc and PTCDA molecules in the first and only layer. Depending on the initial CuPc coverage different ratios of both molecules are obtained. With a CuPc coverage of exactly 1 ML, or above, films with PTCDA coverages of approxi- mately 0.1–0.2 ML are produced. So at elevated temperatures CuPc molecules replace PTCDA molecules in the first layer of the system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111). Anal- ogously the layer exchange at 300 K for the system PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111) is reversed at elevated temperatures. In the case of SnPc and CuPc coverages below 1 ML annealing vertical hetero-molecular systems with PTCDA on Ag(111) up to 570 K re- sults in a single layer of mixed hetero-molecular films with lateral long range order. In this way the system CuPc + PTCDA/Ag(111) is prepared and then characterized as a proper system for a detailed analysis with RPES. Additional annealing experiments of hetero-organic films consisting of F4TCNQ and PTCDA molecules on Ag(110) with an F4TCNQ coverage of 1.0 ML (and above) end in a submonolayer (sub-ML) film of F4TCNQ/Ag(110) that exhibits a contribution of amorphous carbon. Consequently, it can be concluded that at elevated temperatures part of the F4TCNQ molecules decom- pose.
In the second part of this thesis homo-molecular multilayer samples and (sub-)ML films on single crystalline metal surfaces are investigated with RPES in order to enable the final RPES study of vertical and lateral hetero-molecular interface systems. First a pho- ton energy (hν) dependent intensity variation of (groups of) molecular orbital signals of exemplary multilayer films (NTCDA and coronene) is studied and explained on the basis of the local character of the electronic transitions in near edge x-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy in combination with the real space probability den- sity of the contributing molecular orbitals. This simple approach is found to be able to correctly describe relative intensity variations by orders of magnitude while it fails for hν dependent relative intensity changes in the same order of magnitude. After that the hν dependent line-shape evolution of an energetically separated molecular orbital signal of a CuPc multilayer is discussed in relation to small molecules in the gas phase and explained with an effect of electron vibration coupling. Through a comparison of the hν dependent line-shape evolution of the highest occupied molecular orbital (HOMO) of a CuPc with a SnPc multilayer the molecule specific character of this effect is identified. Then the same effect with either two (or more) electronic transitions or multiple coupling vibrational modes is observed for a coronene multilayer. Thereafter the influence of the adsorption on metal surfaces on this effect is studied and discussed with special emphasis on a possible contribution by features which are related to dynamical interface CT. For a sub-ML of SnPc/Au(111) no variation with respect to a SnPc multilayer film is detected while for a sub-ML of CuPc/Au(111) less intensity is distributed into the high binding energy (EB) part of the HOMO signal with respect to the corresponding multilayer film. In the RPES data of a sub-ML of coronene/Ag(111) a resonance specific variation of the hν dependent line-shape evolution of the HOMO signal is found by the revelation of a change of this effect with respect to the coronene multilayer data in only one of the two NEXAFS resonances. All these findings are consistently explained within one effect and a common set of parameters, namely all quantities that characterize the potential energy surfaces involved in the RPES process. Through that an alternative explanation that re- lies on dynamical CT can be excluded which influences the following CT analysis with RPES.
Three criteria for such an analysis of dynamical interface CT with RPES are identified. In the system coronene on Ag(111) a low EB feature is related to metal-molecule inter- face CT through the assignment of a particular final state and hence named CT state. In the EB region of the frontier molecular orbital signals of the molecule-metal inter- face systems with a signal from the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) in direct valence PES a broad line-shape is measured in RPES. This finding is related to interface CT by a possible explanation that emerges through the comparison to the line- shape of the CT state. The constant kinetic energy (EK ) features detected for several molecule-metal interfaces constitute the third criterion for a CT analysis with RPES. For the molecule-metal interface systems without a LUMO signal in direct valence PES the energy of these features can be calculated with the assignment of the responsible decay channel in combination with explicitly given simplifying assumptions. Through that the involvement of metal-molecule interface CT in the generation of these constant EK fea- tures is demonstrated. The RPES data of the lateral and the vertical hetero-molecular interface, identified in the first part, is then scanned for these three CT criteria. Thereby neither for the lateral hetero-molecular system CuPc + PTCDA/Ag(111) nor for the verti- cal hetero-molecular system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) dynamical hetero-molecular interface CT can be confirmed. In the former system the molecule-metal interface in- teraction is found to dominate the physics of the system in RPES while in the latter system no hints for a significant hybridization at the CuPc-PTCDA interface can be revealed
N2  - Diese Dissertation besteht aus zwei Hauptteilen, in denen neue experimentelle Ergeb- nisse präsentiert, ausgewertet und interpretiert werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, dynamischen Ladungstransfer an einer Heteroorganikgrenzfläche mit resonanter Pho- toelektronenspektroskopie (RPES) zu untersuchen. Um dies zu ermöglichen, musste erst eine solche Heteroorganikgrenzfläche, mit den geforderten strukturellen Eigenschaften, gefunden werden, die außerdem noch ein geeignetes Spektrum des Valenzbereichs in direkter Photoelektronenspektroskopie (PES) aufweist. Zusätzlich erforderte die ange- strebte Ladungstransferanalyse mit RPES vorausgehende RPES Messungen an homo- molekularen Systemen. Das dadurch erlangte Wissen konnte dann für die Interpretation von RPES Messungen heteromolekularer Grenzflächenschichten benutzt werden.
Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung von heteromolekularen Filmen auf Silbereinkristalloberflächen durch hochauflösende PES der Rumpfzustände und PES der Valenzzustände. Die Reproduktion der Spektren der Rumpfzustände mit PES Referenzspektren homomolekularer Filme ermöglicht es herauszufinden welches Molekül direkt auf der Silberoberfläche liegt und welches in höheren Lagen (nicht der ersten) adsorbiert ist. Außerdem können dadurch Signale in PES Spektren des Valenzbe- reiches gewissen Zuständen zugeordnet werden, da ein direkter Zusammenhang von PES der Rumpfzustände und der Valenzzustände existiert. Dieser wiederum ermöglicht es, durch die Analyse der Daten der Rumpfzustände, herauszufinden, welche Beiträge im Spektrum des Valenzbereichs enthalten sein müssen. Mit der Analyse der PES Spektren der Rumpfzustände wird gezeigt, dass die Systeme PTCDA auf einer Monolage (ML) SnPc auf Ag(111) und CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) bei 300 K stabil sind. Somit kann ein signifikanter Austausch von Molekülen zwischen den beiden Lagen dieser vertikalen Heteroschichten ausgeschossen werden. Dampft man hingegen PTCDA Moleküle auf eine 1 ML CuPc/Ag(111) Schicht auf, so wird ein Austausch von CuPc Molekülen mit PTCDA Molekülen beobachtet. Für eine PTCDA Bedeckung von bis zu 0.5 ML diffundieren alle PTCDA Moleküle in die erste Lage, ersetzen die dort befindlichen CuPc Moleküle und zwingen diese in höhere Lagen. Oberhalb einer PTCDA Bedeckung von 0.5 ML adsorbieren diese Moleküle auch in höheren Lagen. Um weitere Systeme zu finden, die für die geplanten RPES Messungen geeignet sind, werden anschließend ebenfalls heteromolekulare Filme, bestehend aus F4TCNQ und PTCDA Molekülen auf Ag(110), mit der gleichen Methode untersucht. Ähnlich dem Verhalten des Systems PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111) wird hierbei ein Austausch von PTCDA Molekülen durch F4TCNQ Moleküle in der ersten Lage des Systems F4TCNQ/1 ML PTCDA/Ag(110) beobachtet. Kehrt man die Präparationsreihenfolge hingegen um, kann bei 300 K ein sta- biler Film von PTCDA/1.0 ML F4TCNQ/Ag(110) erzeugt werden. Das System CuPc auf 1 ML PTCDA/Ag(111) wird als einziges stabiles heteromolekulares System identifiziert, welches sowohl bei 300 K das benötigte benetzende Wachstum der ersten beiden Lagen, als auch ein PES Spektrum des Valenzbereichs mit energetisch trennbaren Molekülor- bitalsignalen im gleichen Intensitätsbereich aufweist. Somit ist gezeigt, dass dieses Sys- tem für eine detaillierte Analyse mit RPES geeignet ist.
Der unerwartete Befund, dass bei einigen heteromolekularen Filmen ein vertikaler Aus- tausch stattfindet, motiviert eine Studie des Verhaltens aller heteromolekularen Filme bei höheren Temperaturen. Dabei wird gezeigt, dass ein 1 ML SnPc/Ag(111) Film entsteht, wenn eine 1.5 ML SnPc/1 ML PTCDA/Ag(111) und eine 1.0 ML PTCDA/1 ML SnPc/Ag(111) Probe auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der Moleküle, welche nicht direkt auf der Ag(111) Oberfläche adsorbiert sind, desorbieren. Bei erhöhter Tempera- tur (oberhalb ca. 420 K) verdrängen also SnPc Moleküle PTCDA Moleküle aus der ersten Lage auf der Ag(111) Oberfläche. Wird die Temperatur weiter erhöht (ober- halb ca. 470 K), so desorbieren PTCDA und SnPc Moleküle, welche sich nicht in der ersten Lage befinden, von dem entstandenen 1 ML SnPc/Ag(111) Film. Das Er- hitzen aller heteromolekularen Filme, die aus PTCDA und CuPc Molekülen bestehen, auf eine Endtemperatur von 570 K resultiert in einer Probe, bei der sowohl CuPc als auch PTCDA Moleküle in der ersten, und einzigen Lage, adsorbiert sind. Abhängig von der anfänglichen CuPc Bedeckung entstehen verschiedene Verhältnisse der bei- den Moleküle. Eine anfängliche CuPc Bedeckung von genau einer ML, oder darüber, führt zu einem Film mit einer PTCDA Bedeckung von ca. 0.1–0.2 ML. Aus den Heiz- experimenten am System CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) folgt also, dass bei erhöhten Temperaturen CuPc Moleküle den Platz von PTCDA Molekülen in der ersten Lage einnehmen. Gleichermaßen wird der Austausch, der für das System PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111) bei 300 K erfolgt ist, wieder rückgängig gemacht. Das Erhitzen einer heteromolekularen Probe mit PTCDA Molekülen und SnPc bzw. CuPc Bedeckungen unterhalb einer ML auf 570 K resultiert in einer gemischten heteromolekularen ML, die eine langreichweitige laterale Ordnung besitzt. Auf diese Art und Weise kann das System CuPc + PTCDA/Ag(111) präpariert werden. Die Charakterisierung dieses Systems zeigt, dass es sich für eine detaillierte Analyse mit RPES eignet. In weiteren Experimenten werden heteromolekulare Filme, bestehend aus F4TCNQ und PTCDA Molekülen auf Ag(110) mit einer F4TCNQ Bedeckung von 1.0 ML, und darüber, erhitzt. Hierbei wer- den Submonolagenfilme von F4TCNQ auf Ag(110) erzeugt, die zusätzlich noch amor- phen Kohlenstoff enthalten. Daraus lässt sich schließen, dass ein Teil der F4TCNQ Moleküle beim Erhitzen auf diese Temperaturen zersetzt werden.
Im zweiten Teil dieser Arbeit werden homomolekulare Multilagen-, Monolagen und Submololagenfilme auf einkristallinen Metalloberflächen mit RPES untersucht, um die dadurch erlangten Ergebnisse auf RPES Messungen an heteromolekularen Filmen anzu- wenden. Als erstes wird anhand von Messungen an Multilagenfilmen zweier Modell- moleküle (NTCDA und Coronen) die Abhängigkeit der Intensitätsvariation (einer Grup- pe) von Molekülorbitalsignalen von der Photonenenergie (hν) untersucht. Die gewon- nenen Daten werden durch den lokalen Charakter der elektronischen Übergänge in der Nahkantenröntgenabsorptionsfeinstrukturspektroskopie (NEXAFS) und der Realraum- wahrscheinlichkeitsdichte der beitragenden Molekülorbitale erklärt. Mit diesem ver- einfachten Denkansatz können relative Intensitätsvariationen über Größenordnungen be-schrieben werden, bei relativen Veränderungen der Intensität innerhalb der selben Grö- ßenordnung versagt diese Erklärung allerdings. Daraufhin wird die hν Abhängigkeit der Linienformentwicklung von einem energetisch trennbaren Molekülorbitalsignal einer CuPc Multilage im Vergleich zu kleinen Molekülen in der Gasphase diskutiert und auf einen Effekt der Kopplung von Vibrationen an elektronische Übergänge zurückgeführt. Ein anschließender Vergleich dieser hν Abhängigkeit der Linienformentwicklung des höchsten besetzten Molekülorbitals (HOMO) von CuPc und SnPc Multilagen offen- bart den molekülspezifischen Charakter dieses Effekts. Danach wird gezeigt, dass für eine Multilage Coronen der selbe Effekt, allerdings mit der Beteiligung zweier (oder mehrerer) elektronischer Übergänge oder aneinander koppelnder Vibrationsmoden, zu sehen ist. Im Anschluss wird der Einfluss durch die Adsorption auf einer Metallober- fläche auf diesen Effekt untersucht und im Hinblick auf eine mögliche Beteiligung von Signalen diskutiert, in deren Entstehung Ladungstransfer beteiligt ist. Der Vergleich der RPES Messung eines Submonolagenfilms von SnPc auf Au(111) und den entsprechen- den Daten einer SnPc Multilage zeigt keinerlei sichtbare Veränderung. Demgegenüber wird für eine Submonolage CuPc auf Au(111) eine verminderte Intensitätsumverteilung in den Teil größerer Bindungsenergie (EB) des HOMO, im Vergleich zur einer CuPc Multilage, festgestellt. Vergleicht man die RPES Daten von einer Submonolage Coro- nen/Ag(111) mit denen des entsprechenden Multilagenfilms, erkennt man eine reso- nanzspezifische Veränderung der hν Abhängigkeit der Linienformentwicklung, da sich nur in einer der beiden NEXAFS Resonanzen eine Veränderung dieses Effekts zwischen dem Submonolagen- und dem Multilagenfilm zeigt. Alle diese experimentellen Be- funde können mit einem einzigen Effekt und einem gemeinsamen Parametersatz erklärt werden. Dies sind alle Parameter, die benötigt werden, um die Potentialenergieober- flächen zu beschreiben, welche im RPES Prozess involviert sind. Dadurch kann eine Alternativerklärung, die auf dynamischem Ladungstransfer beruht, ausgeschlossen wer- den, was wiederum die folgende Ladungstransferanalyse mit RPES entscheidend beein- flusst.

Eine solche Ladungstransferanalyse mit RPES kann durch den Nachweis von drei ver- schiedenen mit dynamischem Ladungstransfer assoziierten Signalen durchgeführt wer- den. Ein in den RPES Daten von einer Submonolage Coronen/Ag(111) detektiertes Sig- nal bei niedriger EB kann, durch die Zuordnung eines spezifischen Endzustandes, mit Ladungstransfer über die Grenzfläche zwischen Molekül und Metall hinweg in Verbin- dung gebracht werden. Folglich wird dieses Signal Ladungstransferzustand genannt. Im EB Bereich der am schwächsten gebundenen Molekülorbitalsignale zeigen RPES Messungen eine verbreiterte Linienform für diejenigen Molekülmetallgrenzflächensys- teme, welche ein Signal des niedrigsten unbesetzten Molekülorbitals (LUMO) in di- rekter PES aufweisen. Durch den Vergleich mit der Linienform des Ladungstransfer- zustandes kann eine mögliche Erklärung für diesen experimentellen Befund entwickelt werden, die diesen mit Ladungstransfer in Verbindung bringt. Als drittes Signal, das für eine Ladungstransferanalyse mit RPES herangezogen werden kann, dienen Signale konstanter kinetische Energie (EK ), welche sich in den RPES Daten einiger Molekül- metallgrenzflächensysteme zeigen. Die gemessene Energie dieser Signale kann für die Molekülmetallgrenzflächensysteme, welche kein Signal des LUMO in direkter PES auf- weisen, durch die Zuordnung des verantwortlichen Zerfallskanals und explizit ange- führte Vereinfachungen erfolgreich berechnet werden. Dadurch wird die Beteiligung von Ladungstransfer über die Grenzfläche zwischen Molekül und Metall im Erzeugungspro- zess dieser Signale konstanter EK gezeigt. In den RPES Daten der lateralen und ver- tikalen heteromolekularen Grenzflächensysteme, die im ersten Teil dieser Arbeit identi- fiziert wurden, wird dann letztendlich nach einem Beitrag dieser drei mit Ladungstrans- fer assoziierten Signale gesucht. Weder für das laterale heteromolekulare System CuPc
+ PTCDA/Ag(111) noch für das vertikale heteromolekulare System CuPc auf 1 ML PTCDA/Ag(111) kann, durch die Detektion eines dieser Signale, Ladungstransfer ent- lang der heteromolekularen Grenzfläche bestätigt werden. Als entscheidender Faktor für die physikalische Beschreibung von RPES am ersten System wird die Wechselwirkung zwischen Molekül und Metall identifiziert. Das zentrale Ergebnis für das zweite Sys- tem ist, dass keine Hinweise auf eine signifikante Hybridisierung an der Grenzfläche zwischen CuPc und PTCDA entdeckt werden können.
KW  - Organisches Molekül
KW  - resonant photoelectron spectroscopy
KW  - molecule-metal interfaces
KW  - heteromolecular interfaces
KW  - photoelectron spectroscopy
KW  - Adsorptionsschicht
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-107928
ER  - 
TY  - THES
A1  - Metzger, Christian Thomas Peter
T1  - Development of photoemission spectroscopy techniques for the determination of the electronic and geometric structure of organic adsorbates
T1  - Entwicklung von Photoemissionsmethoden zur Bestimmung der elektronischen und geometrischen Struktur von organischen Adsorbaten
N2  - The projects presented in this thesis cover the examination of the electronic and structural properties of organic thin films at noble metal-organic interfaces. Angle-resolved photoemission spectroscopy is used as the primary investigative tool due to the connection of the emitted photoelectrons to the electronic structure of the sample. The surveyed materials are of relevance for fundamental research and practical applications on their own, but also serve as archetypes for the photoemission techniques presented throughout the four main chapters of this thesis. The techniques are therefore outlined with their adaptation to other systems in mind and a special focus on the proper description of the final state.

The most basic description of the final state that is still adequate for the evaluation of photoemission data is a plane wave. Its simplicity enables a relatively intuitive interpretation of photoemission data, since the initial and final state are related to one another by a Fourier transform and a geometric factor in this approximation. Moreover, the initial states of some systems can be reconstructed in three dimensions by combining photoemission measurements at various excitation energies. This reconstruction can even be carried out solely based on experimental data by using suitable iterative algorithms.
Since the approximation of the final state in the photoemission process by a plane wave is not valid in all instances, knowledge on the limitations of its applicability is indispensable. This can be gained by a comparison to experimental data as well as calculations with a more detailed description of the photoemission final state. One possible appraoch is based on independently emitting atoms where the coherent superposition of partial, atomic final states produces the total final state. This approach can also be used for more intricate studies on organic thin films. To this end, experimental data can be related to theoretical calculations to gain extensive insights into the structural and electronic properties of molecules in organic thin films.
N2  - Die in dieser Arbeit vorgestellten Projekte behandeln die Untersuchung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften organischer Dünnschichtfilme an Grenzflächen zwischen Edelmetallen und organischen Materialien. Als maßgebliche Messmethode wird die winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie aufgrund der Verbindung der emittierten Photoelektronen mit der elektronischen Struktur der untersuchten Probe angewandt. Die verwendeten Materialien sind sowohl in der Grundlagenforschung als auch für praktische Anwendungen relevant, und dienen gleichzeitig auch als Beispiele für die Photoemissionstechniken, die in den vier Hauptkapiteln der Arbeit präsentiert werden. Diese Techniken werden daher auch bezüglich ihrer Ubertragbarkeit auf andere Systeme dargestellt, wobei besonders auf die korrekte Beschreibung des Endzustands in der Photoemission eingegangen wird.

Die simpelste Beschreibung des Endzustands, die für die Auswertung von Photoemissionsdaten noch sinnvoll verwendet werden kann, stellt eine ebene Welle dar. Ihre Einfachheit ermöglicht eine relativ intuitive Interpretation von Photoemissionsdaten, da Anfangs- und Endzustand in dieser Näherung lediglich durch eine Fourier-Transformation und einen geometrischen Faktor verknüpft sind. Kombiniert man die Photoemissionsmessungen bei unterschiedlichen Anregungsenergien, lassen sich zusätzlich die Anfangszustände bestimmter Systeme in guter Näherung dreidimensional rekonstruieren. Mit Hilfe geeigneter iterativer Algorithmen ist diese Rekonstruktion darüber hinaus mit ausschließlich experimentellen Daten realisierbar.
Da die Näherung des Endzustands mit einer ebenen Welle nur unter bestimmten Bedingungen ausreichend präzise das reale System widerspiegelt, ist die Kenntnis über die Grenzen ihrer Anwendbarkeit von Bedeutung. Dies kann über den Vergleich mit experimentellen Daten sowie Rechnungen mit detailierteren Beschreibungen des Endzustands in der Photoemission geschehen. Ein möglicher Ansatz basiert auf unabhängig voneinander emittierenden Atomen, deren kohärent überlagerte, partielle Endzustände den gesamten Endzustand formen. Dieser Ansatz kann des Weiteren für komplexere Untersuchungen an organischen Dünnschichten verwendet werden. So können über den Vergleich von experimentellen Messung mit theoretischen Rechnungen umfangreiche Einblicke auf die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der Moleküle in organischen Dünnschichten gewonnen werden.
KW  - ARPES
KW  - Molekülphysik
KW  - Organisches Molekül
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - LEED
KW  - Angle-resolved Photoemission Spectroscopy
KW  - Winkelaufgelöste Photoemissionspektroskopie
KW  - Molecular Physics
KW  - Molekülphysik
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229525
ER  - 
TY  - THES
A1  - Graus, Martin
T1  - Anwendung und Weiterentwicklung der Orbitaltomographie
T1  - Application and Advancement of Orbital Tomography
N2  - Als Orbitaltomographie wird eine junge Methode innerhalb der Photoelektronenspektrokopie bezeichnet, welche es ermöglicht, Molekülorbitale mit hoher Ortsauflösung abzubilden. Hierfür werden die zu untersuchenden Moleküle durch elektromagnetische Strahlung angeregt und die mittels Photoeffekt emittierten Elektronen hinsichtlich ihres Impulses und ihrer kinetischen Energie charakterisiert. Moderne Photoemissionsexperimente erlauben die simultane Vermessung des gesamten Impulshalbraumes oberhalb der Probe. Die detektierte Intensitätsverteilung stellt dann unter bestimmten Bedingungen das Betragsquadrat eines hemisphärischen Schnittes durch den Fourierraum des spektroskopierten Orbitals dar, wobei der Radius der Hemisphäre von der Energie der anregenden Strahlung abhängt.

Bei den in dieser Arbeit untersuchten Systemen handelt es sich um adsorbierte Moleküle, die hochgeordnete Schichten auf kristallinen Edelmetalloberflächen bilden. Im Fall eindomänigen Wachstums liefern die parallel orientierten Moleküle identische Photoemissionssignale. Kommt es hingegen zur Ausbildung von Rotations- und Spiegeldomänen, stellt die gemessene Impulsverteilung eine Superposition der unterschiedlichen Einzelbeiträge dar. Somit lassen sich Rückschlüsse auf die Orientierungen der Moleküle auf den Substraten ziehen. Diese Charakterisierung molekularer Adsorptionsgeometrien wird anhand verschiedener Modellsysteme vorgestellt.

Variiert man die Energie der anregenden Strahlung und somit den Radius der hemisphärischen Schnitte durch den Impulsraum, ist es möglich den Fourierraum des untersuchten Molekülorbitals dreidimensional abzubilden. Kombiniert man die gemessenen Intensitäten mit Informationen über die Phase der Wellenfunktion im Impulsraum, die durch zusätzliche Experimente oder rechnerisch gewonnen werden können, lässt sich durch eine Fouriertransformation ein dreidimensionales Bild des Orbitals generieren, wie Schritt für Schritt gezeigt wird.

Im Zuge eines Photoemissionsprozesses kann das Molekül in einen angeregten vibronischen Zustand übergehen. Mittels Photoemissionsexperimenten mit hoher Energieauflösung lassen sich Unterschiede zwischen den Impulsverteilungen der schwingenden Moleküle und denen im vibronischen Grundzustand feststellen. Ein Vergleich der Messdaten mit Simulationen kann die Identifikation der angeregten Schwingungsmode ermöglichen, was eine neue Methode darstellt, Erkenntnisse über die Elektron-Phonon-Kopplung in molekularen Materialien zu gewinnen.
N2  - Orbital tomography is a relatively young method within the field of photoelectron spectroscopy, which allows for imaging of molecular orbitals with high spatial resolution. After excitation of the specimen by electromagnetic radiation, electrons are emitted via the photoelectric effect and characterised regarding their momenta and kinetic energies by a photoelectron detector system. State-of-the-art photoemission experiments are capable of simultaneous mapping of the full emission hemisphere above the sample. Under certain conditions, measured intensity distributions are then proportional to the square of the absolute value of a hemispherical section through the investigated orbital's Fourier space. The radius of the hemisphere is dependent on the excitation energy.

In this study, the systems under investigation constitute adsorbed molecules which form highly ordered layers on surfaces of noble metal crystals. If the growth process leads to a single domain in which all molecules are aligned parallel, the molecules send out identical photoemission signals. If rotational or mirror domains are however formed, the measured momentum distribution is a superposition of the individual contributions. As a consequence, conclusions on the orientation of the molecules on the substrate can be drawn. This characterization of molecular adsorption geometries is presented by means of various modell systems.

Variation of the excitation energy associated with a change in the radius of the hemispherical section allows for a three-dimensional imaging of the investigated orbital's Fourier space. A combination of measured intensities with information on the phase of the wave function in momentum space, which can be derived experimentally or numerically, renders a three-dimensional reconstruction of the orbital possible via a Fourier transform, as shown step by step.

As part of the photoemission process, the molecule can be transfered into an excited vibronic state. Employing photoemission experiments with high energy resolution, one can detect differences between the momentum distributions of vibrant molecules and those in the vibronic ground state. A comparison of experimental data with simulations can enable identification of the relevant vibronic mode, showcasing a new method to gain information on electron-phonon coupling in molecular materials.
KW  - ARPES
KW  - Molekülorbital
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - Orbitaltomographie
KW  - Impulsmikroskopie
KW  - Molekülspektroskopie
KW  - Molekülspektroskopie
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-163194
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grimm, Manuel
T1  - Anwendung und Weiterentwicklung der winkelaufgelösten Photoemission an Molekül-Metall-Grenzflächen: Geometrische Struktur von Bilagenschichten und Kondoeffekt
T1  - Application and further development of angle-resolved photoemission on molecule-metal interfaces: Geometric structure of bilayers and kondo effect
N2  - Im Rahmen dieser Dissertation wurden organische Dünnschichten und deren Grenzflächen an Metallen mittels Photoemissionsspektroskopie untersucht. Hierbei wurden, unter Einstrahlung von Photonen mit einer Energie von zumeist 20-50 eV Elektronen des Valenzbandes des zu untersuchenden Probensystems ausgelöst, und in Abhängigkeit der kinetischen Energie und des Austrittswinkels bzw. Impulses charakterisiert. Eine wesentliche Aufgabe dieser Arbeit war es, die technische Entwicklung experimenteller Apparaturen des letzten Jahrzehnts dazu zu verwenden, um mit möglichst großer energetischer Auflösung bereits etablierte aber dennoch vielversprechende Systeme erneut zu untersuchen.

Im ersten Hauptabschnitt wurden hierzu Einzel- und Doppelschichten bestehend aus Pentacenmolekülen mittels Molekularstrahlepitaxie auf einer Ag(110)-Oberfläche abgeschieden. Eine anschließende Untersuchung der emittierten Photoelektronen mittels Impulsmikroskopie, wodurch man in der Lage ist, die Photoelektronen des gesamten oberen Halbraumes gleichzeitig zu detektieren, ergab eine Verkippung der Moleküle der ersten und zweiten Lage der Doppelschichten. Im Vergleich hierzu liegen die Moleküle der Einzelschicht flach auf dem Substrat auf. Der Übergang von der Einzel- zur Doppelschicht erwirkt demnach eine Verkippung der Moleküle der ersten Lage, welche aufgrund der direkten Wechselwirkung mit dem Substrat nicht zu erwarten war. Im weiteren Verlauf dieses Abschnittes konnten unter Verwendung eines hemisphärischen Analysators mit hoher Energieauflösung weitere Feinheiten des Valenzbandspektrums, wie z.B. ein ungewöhnlicher Kurvenverlauf des Intensitätsmaximums des zweiten besetzten Molekülorbitals der ersten (unteren) Pentacenlage ausgemacht werden.

Im zweiten Hauptabschnitt wurde eine energetisch schmale Resonanz, welche in der Literatur mit dem Kondoeffekt in Verbindung gebracht wird, im Valenzbandspektrum zweier unterschiedlicher Metall-Phthalocyaninmoleküle (Nickel- und Kupfer-Phthalocyanin) auf den drei Oberflächen Ag(100), Ag(110) und Ag(111) adsorbiert und auf ihre Temperaturabhängigkeit im Bereich von 20-300 Kelvin untersucht. Hierbei ergab sich neben der Feststellung des Vorhandenseins des Maximums auf allen drei Silber-Oberflächen ein energetischer Versatz dieses Maximums durch Abkühlen der Probe im Falle der Substrate Ag(100) und Ag(110), welcher in der vorliegenden Größenordnung von bis zu 100 meV ungewöhnlich für bisherige bekannte Kondosysteme ist. Auf Ag(111) konnte kein signifikanter Versatz im Rahmen der Messungenauigkeit festgestellt werden. Im weiteren Verlauf wurden auch von diesen Probensystemen Messungen mittels Impulsmikroskopie durchgeführt, welche in den dadurch erhaltenen Impulskarten geringe Anomalien aufwiesen. Insgesamt kann das vorliegende Verhalten dieser Systeme bis zum Abschluss dieser Arbeit nicht endgültig erklärt werden. Die für organische Systeme höchst ungewöhnliche Theorie der Ausbildung eines Kondogitters, in welcher die Wechselwirkung einzelner Störstellen zur Ausbildung eines elektronenartigen Bandes führt, wäre jedoch zunächst in der Lage, ein derartiges Verhalten, wenn auch nicht in dem hier gezeigten Ausmaß, teilweise zu erklären.
N2  - In this dissertation organic thin films and their interfaces to metals are investigated by photoemission spectroscopy. Electrons of the valence band of the sample system to be investigated are excited under irradiation of photons with an energy in the order of 20-50 eV, and characterized as a function of the kinetic energy and the exit angle or momentum. An essential task of this work was to use the technical development of state-of-the-art experimental apparatuses of the last decade in order to investigate already established but nevertheless promising systems with the highest possible energetic resolution.

In the first main section, single and double layers consisting of pentacene were deposited by molecular beam epitaxy on an Ag(110) surface. A subsequent examination of the emitted photoelectrons by momentum microscopy, which enables the simultaneous measurement of the entire upper half-space, revealed a tilting of the molecules of the first and second layers of the double layers. In comparison, the molecules of the single layer lie flat on the substrate. Therefore, the transition from the single to the double layer causes a tilting of the molecules of the first layer, which was not to be expected due to the direct interaction with the substrate. In the further course of this section, using a hemispherical analyzer with high energy resolution, further small energetic features of the valence band spectrum could be detected, e.g. an unusual shape of the intensity of the second occupied orbital of the first (bottom) pentacene layer.

In the second main section, an energetically narrow resonance, which is associated with the Kondo effect in the literature, was investigated in the valence band spectrum of two different metal phthalocyanine molecules (nickel and copper) adsorbed on the three surfaces Ag(100), Ag(110) and Ag(111) for their temperature dependence in the range of 20-300 Kelvin. Besides the determination of the occurrence of the maximum on all three silver surfaces, an energetic shift of this maximum resulted from cooling the sample on the substrates Ag(100) and Ag(110), which in the present order of magnitude of approx. 100 meV is unusual for the previously known Kondo systems. On Ag(111) no significant shift could be found within the uncertainty of the measurement. In the further course, measurements of these sample systems were also carried out using a momentum microscope, which showed minor anomalies in the resulting momentum maps. Overall, the presented behaviour of these systems could not be explained within the frame of this dissertation. However, the theory of the formation of a Kondo lattice, in which the interaction of individual impurities leads to the formation of an electron-like band, which is highly unusual for organic systems, might be able to partially explain such a behaviour, even if not to the extent shown here.
KW  - Winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie
KW  - Molekülphysik
KW  - Kondo-Effekt
KW  - Tieftemperaturphänomene
KW  - Low temperature effects
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-213797
ER  -