Self assembly and electronic properties of conjugated molecules: towards mono molecular electronics [Elektronische Ressource] / von Frank Jäckel

Dipl.-Phys. Frank Jäckel

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• Physik

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Self-Assembly and Electronic Properties of
Conjugated Molecules: Towards
Mono-Molecular Electronics
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultat I
der Humboldt-Universitat zu Berlin
von
Herrn Dipl.-Phys. Frank Jackel
geboren am 30.09.1976 in Berlin
Prasident der Humboldt-Universitat zu Berlin:
Prof. Dr. J. Mlynek
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultat I:
Prof. T. Buckhout, PhD
Gutachter:
1. Prof. Dr. J.P. Rabe
2. Prof. Dr. H. Niehus
3. Prof. Dr. F.C. De Schryver
Tag der mundlichen Prufung: 25. April 2005Abstract
The use of single molecules as active components in electronic devices is
presently considered a potential alternative to semiconductor-based nano-
scale electronics since it directly provides precisely-de ned nano-scale com-
ponents for electronic devices which eventually allows for simple processing
and device fabrication.
In the present thesis the self-assembly and electron transport properties
of conjugated molecules are investigated by means of scanning tunneling
microscopy (STM) and spectroscopy (STS) at a solid-liquid interface as well
as under ultrahigh vacuum conditions and low temperatures. The use of the
molecules in hybrid-molecular electronic devices and potential approaches to
a mono-molecular electronics are explored.
In particular, electron-donor-acceptor-multiads are shown to exhibit a
nano-phase-segregation at the solid-liquid interface which allows for the inte-
grationofdi erentelectronicfunctions,i.e. oppositerecticationoftunneling
currents, at the nano-scale. Furthermore, the dependence of the electronic
coupling of stacked disk-like molecules on the lateral o -set in the stack is
demonstrated experimentally which o ers new possibilities for the control of
theelectronicpropertiesofthesethree-dimensionalarchitectures. Inaddition
the rst STM/STS experiments on single organic donor-acceptor complexes
are presented which provide evidence for charge transfer processes at the
single molecule level. Finally, charge transfer complexes are combined with
the approach of nano-phase-segregation to realize the rst single-molecule
transistor with integrated nanometer-sized gates. In this prototypical de-
vice the current through a hybrid-molecular diode made from a hexa-peri-
hexabenzocoronene (HBC) in the junction of the STM is modied by charge
transfer complexes covalently attached to the HBC in the gap. Since the
donor which complexes the covalently attached acceptor comes from the am-
bient uid the set-up represents a single-molecule chemical eld-e ect tran-
sistor with nanometer-sized gates. This is considered a major step towards
mono-molecular electronics.
Keywords:
molecular electronics, scanning tunneling microscopy and spectroscopy,
conjugated molecules, self-assemblyZusammenfassung
Die Verwendung einzelner Molekule als aktive Elemente elektronischer
Bauteile wird derzeit als potentielle Alternative zur halbleiterbasierten Na-
noelektronik angesehen, da einzelne Molekule a priori nur einige Nanometer
grosind.AuerdemkanndabeieventuelleinevereinfachteVerarbeitungund
Herstellung der Bauteile erreicht werden.
In der vorliegenden Dissertation werden das Selbstaggregationsverhalten
und die Elektrontransporteigenschaften konjugierter Molekule mit Raster-
tunnelmikroskopie (RTM) und -spektroskopie (RTS) an einer Fest-Flussig-
Grenz ache sowie unter Ultrahochvakuumbedingungen bei tiefen Tempera-
turenuntersucht.IhremoglicheVerwendunginhybrid-molekularenBauteilen
als auch Ansatze fur eine mono-molekulare Elektronik werden erkundet.
Insbesondere wird die Nano-Phasenseparation von Elektron-Donor-Ak-
zeptor-Multiaden an der Fest-Flussig-Grenz ache demonstriert, die zur Inte-
grationverschiedenerelektronischerFunktionen(z.B.entgegengesetzteGleich-
richtung von Tunnelstromen) auf der Nanoskala benutzt werden kann. Des-
weiteren wird die Abhangigkeit der elektronischen Kopplung scheibenformi-
ger gestapelter Molekule vom lateralen Versatz innerhalb des Stapels expe-
rimentell nachgewiesen. Dies ero net neue M oglichkeiten die elektronischen
Eigenschaften solcher dreidimensionaler Architekturen gezielt zu beeinus-
sen. Auerdem werden die ersten RTM/RTS-Untersuchungen einzelner orga-
nischer Donor-Akzeptor-Komplexe prasentiert, die Ladungstransferprozesse
auf dem Niveau einzelner Molekule belegen. Schlie lich werden die Ladungs-
transferkomplexe mit dem Ansatz der Nano-Phasenseparation kombiniert,
um den ersten Einzelmolekultransistor mit intergrierten Nanogates zu reali-
sieren.IndiesemprototypischenBauteilwirddieStrom-Spannungs-Kennlinie
einer hybrid-molekularen Diode, die aus einem Hexa-peri-hexabenzocoronen
(HBC) im Tunnelspalt eines RTMs besteht, durch einen kovalent an das
HBC gebundenen Ladungstransferkomplex modiziert. Da der Donor, der
den Komplex mit dem kovalent gebundenen Akzeptor bildet, aus der umge-
benden Flussigkeit kommt, realisiert der experimentelle Aufbau einen chemi-
schen Einzelmolekul-Felde ekttransistor mit Nanogates. Dies wird als wich-
tiger Schritt in Richtung einer mono-molekularen Elektronik angesehen.
Schlagworter:
molekulare Elektronik, Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie,
konjugierte Molekule, SelbstaggregationContents
Contents iv
List of Figures vii
List of Tables x
1 Introduction 1
2 Basics 4
2.1 Molecular electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 The vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Prototypical two-terminal devices . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 Prototypical three-terminal devices . . . . . . . . . . . 10
2.1.4 Theory of electron transport through single molecules . 11
2.1.5 Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Conjugated molecular materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Applications in organic electronics . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3 Hexa-peri-hexabenzocoronenes . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Self-assembly of molecules at surfaces . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Physisorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Chemisorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.3 Thermodynamics at solid-liquid interfaces . . . . . . . 20
2.4 Charge transfer complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.2 Applications of CTCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Scanning tunneling techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2 Principle of scanning tunneling microscopy . . . . . . . 25
2.5.3 Operation modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4 Theoretical description . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
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