Metal organic inorganic semiconductor heterostructures characterized by vibrational spectroscopies [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Georgeta Salvan

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• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 27
• Langue: Deutsch
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Extrait

METAL/ORGANIC/INORGANIC SEMICONDUCTOR
HETEROSTRUCTURES CHARACTERIZED BY
VIBRATIONAL SPECTROSCOPIES VIBRATIONAL SPECTROSCOPIES




von der Fakultät für Naturwissenschaften der Technischen Universität Chemnitz
genehmigte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades


doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)






vorgelegt von M. S. Phys. Georgeta Salvan
geboren am 22. Dezember 1975 in Nasaud

eingereicht am 18. Februar 2003


Gutachter: Prof. Dr. Dietrich R. T. Zahn
Prof. Dr. Michael Hietschold
Prof. Dr. Wolfgang Richter




Tag der Verteidigung: 14. Juli 2003

Bibliografische Beschreibung 2

Bibliografische Beschreibung

M.S. Phys. Georgeta Salvan
Metal/Organic/Inorganic Semiconductor Heterostructures Characterized by
Vibrational Spectroscopies
Technische Universität Chemnitz
Dissertation (in englischer Sprache), 2003

Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Perylen-Derivate als Zwischenschichten in Ag/organischen
Schichten/GaAs(100)-Heterostrukturen eingesetzt, um den Einfluss von unterschiedlichen chemischen
Endgruppen auf die chemischen und strukturellen Eigenschaften beider Grenzflächen, sowie auf die
Morphologie, Struktur und Kristallinität von organischen Schichten zu charakterisieren. Die molekularen
Schichten von 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10-
Perylentetracarbonsäure Diimid (DiMe-PTCDI) werden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD)
im Ultrahochvakuum auf S-passivierten GaAs(100):2x1-Substraten hergestellt. Weiterhin wird der Einfluss
des Substrats untersucht, indem PTCDA-Wachstum auf H-passiviertem Si(100):1x1 durchgeführt wird. Als
Hauptcharakterisierungsmethode wird die Ramanspektroskopie eingesetzt. Diese ist eine nicht-destruktive
Methode, die auch in situ Untersuchungen des Wachstumsprozesses ermöglicht. Die komplementäre
Infrarotspektroskopie sowie die Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung
(XRD) werden zur Ergänzung des Verständnisses der Heterostruktureigenschaften verwendet. Die
Empfindlichkeit von Raman- und Infrarot-Spektroskopien auf die chemisch unterschiedlichen Endgruppen
wird durch experimentelle Untersuchungen an PTCDA- und DiMe-PTCDI-Kristallen, beziehungsweise
dicken Schichten und mit Hilfe theoretischer Berechnungen nachgewiesen. So wird zum ersten Mal eine
vollständige Zuordnung der Schwingunsfrequenzen zu den internen Schwingungsmoden von DiMe-PTCDI
vorgeschlagen. Im niedrigen Frequenzbereich der Ramanspektren werden die externen molekularen
Schwingungsmoden, oder molekularen „Phononen“, die eine Signatur der Kristallinität darstellen,
beobachtet. Die Phononen von DiMe-PTCDI werden in dieser Arbeit zum ersten Mal in einem
Ramanexperiment beobachtet. Mittels resonanter Ramanspektroskopie wird die Detektion von C-H-
Deformationsmoden und C-C-Streckmoden sogar im Sub-Monolagenbereich molekularer Bedeckung auf
Halbleiteroberflächen möglich. Anhand dieser Ramanspektren konnte die Art der Wechselwirkung zwischen
Molekülen und passivierten Oberflächen näher charakterisiert werden. Zusätzliche Information bringen die
GaAs LO- und Plasmon-gekoppelten LO- Phononen, deren Intensitätsverhältnis im Ramanspektrum die
Bandverbiegung im GaAs-Substrat widerspiegelt. Die Kristallinität der hergestellten organischen Schichten
mit Dicken größer als 2 nm wird durch Beobachtung der molekularen „Phononen“ nachgewiesen. Als
allgemeine Tendenz konnte bewiesen werden, dass mit steigender Substrattemperatur während des
Wachstums größere Kristalldomänen entstehen. Weiterhin wird eine Methode vorgeschlagen, um den Anteil
von zwei PTCDA- Kristallphasen mit ähnlichen Gitterparametern anhand der Raman- beziehungsweise
XRD-Spektren zu bestimmen. Durch ihre sehr gute Ordnung können die DiMe-PTCDI- Schichten als
Modellsystem dienen, um eine Methode zu entwickeln, die die Molekülorientierung im Bezug zum Substrat
aus polarisationsabhängigen Raman- und Infrarotmessungen bestimmt. Bei der Metall-Bedampfung wird die
Empfindlichkeit der Ramanstreuung an internen molekularen Schwingungsmoden von PTCDA und DiMe-
PTCDI-Schichten durch oberflächenverstärkte Ramanstreuung (SERS) erhöht. Anhand der
unterschiedlichen Signalverstärkungsmechanismen werden Informationen über die Ag/Molekül-
Wechselwirkung und die Morphologie der Ag-Schichten abgeleitet.

Schlagwörter
Organische Moleküle, Organische Molekularstrahldeposition (OMBD), GaAs(100), Si(100), Ag,
Grenzfläche, Ramanspektroskopie, oberflächenverstärkte Ramanstreuung (SERS),
Infrarotspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenbeugung.
Table of Contents 3
Table of Contents

Bibliografische Beschreibung........................................................................................................... 2
Table of Contents............................................................................................................................. 3
List of abbreviations .......................................................................................................... 5

1 Introduction .............................................................................................................................. 6
1.1 Applications of organic materials ............................................................................................................6
1.2 Investigations of metal/organic/semiconductor heterostructures............................................................7

2 Theoretical background............................................................................................................ 9
2.1 Molecular semiconductors: electronic properties....................................................................................9
2.2 Molecular setors: vibrational ................................................................................ 13
2.2.1 Classical description of the Raman effect .................................................................................... 15
2.2.1.1 Scattering or Raman tensor .................................................................................................. 16
2.2.2 Quantum mechanical description ................................................................................................. 17
2.2.2.1 Harmonic oscillator................................................................................................................ 17
2.2.2.2 Raman effect ......................................................................................................................... 18
2.2.2.3 Resonance Raman effect...................................................................................................... 20
2.2.2.4 Infrared absorption............ 21
2.2.3 Raman spectra of molecular crystals ........................................................................................... 22
2.2.3.1 PTCDA .................................................................................................................................. 22
2.2.3.2 DiMe-PTCDI .......................................................................................................................... 26
2.2.4 Infrared activity of PTCDA and DiMe-PTCDI................................................................................ 29
2.2.5 Davydov splitting: dipole-dipole approximation ............................................................................31
2.2.6 Application of vibrational spectroscopies for the investigation of molecular orientation............... 32
2.3 Inorganic Semiconductors.................................................................................................................... 33
2.3.1 Band bending at surfaces............................................................................................................. 33
2.3.2 Electronic properties and Raman spectra: GaAs substrate ......................................................... 34

3 Experimental .......................................................................................................................... 36
3.1 Film preparation ................................................................................................................................... 36
3.1.1 Ultra high vacuum (UHV) system ................................................................................................. 36
3.1.2 Substrates..................................................................................................................................... 37
3.1.2.1 Silicon .................................................................................................................................... 37
3.1.2.2 Gallium Arsenide ................................................................................................................... 37
3.1.3 Molecular and metal films............................................................................................................. 38
3.2 Characterization techniques.....