Christoph Sauer

• 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 withThis 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…
• 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 PhotoelektronenspektroskopieDiese 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.…