Electrochemical scanning tunnelling spectroscopy of a ferrocene-modified n-Si(111)-surface: electrolyte gating and ambipolar FET behaviour

As revealed for the first time by in situ scanning tunnelling spectroscopy (STS), ferrocene-modified Si(111) substrates show ambipolar field effect transistor (FET) behaviour upon electrolyte gating.

From In Situ towards In Operando Conditions: Scanning Tunneling Microscopy Study of Hydrogen Intercalation in Cu(111) during Hydrogen Evolution

We used electrochemical scanning tunneling microscopy to study the intercalation of hydrogen into a Cu(111) model electrode under reactive (in operando) conditions. Hydrogen evolution causes hydrogen intermediates to migrate into the copper lattice as function of the applied potential and the resulting current density. This H-inclusion is demonstrated to be reversible. The presence of subsurface hydrogen leads to a significant surface relaxation/reconstruction affecting both the geometric and electronic structure of the electrode surface.

Physik der Elektronen in Nanostrukturen und niedrigdimensionalen Systemen - Studie zweier Beispiele

Als Beispiele für die vielfältigen Phänomene der Physik der Elektronen in niedrigdimensionalen Systemen wurden in dieser Arbeit das Cu(110)(2x1)O-Adsorbatsystem und die violette Li0.9Mo6O17-Bronze untersucht. Das Adsorbatsystem bildet selbstorganisierte quasi-eindimensionale Nanostrukturen auf einer Kupferoberfläche. Die Li-Bronze ist ein Material, das aufgrund seiner Kristallstruktur quasi-eindimensionale elektronische Eigenschaften im Volumen aufweist. Auf der Cu(110)(2x1)O-Oberfläche kann durch Variation der Sauerstoffbedeckung die Größe der streifenartigen CuO-Domänen geändert werden und damit der Übergang von zwei Dimensionen auf eine Dimension untersucht werden. Der Einfluss der Dimensionalität wurde anhand eines unbesetzten elektronischen Oberflächenzustandes studiert. Dessen Energieposition (untere Bandkante) verschiebt mit zunehmender Einschränkung (schmalere CuO-Streifen) zu größeren Energien hin. Dies ist ein bekannter quantenmechanischer Effekt und relativ gut verstanden. Zusätzlich wurde die Lebensdauer des Zustandes auf der voll bedeckten Oberfläche (zwei Dimensionen) ermittelt und deren Veränderung mit der Breite der CuO-Streifen untersucht. Es zeigt sich, dass die Lebensdauer auf schmaleren CuO-Streifen drastisch abnimmt. Dieses Ergebnis ist neu. Es kann im Rahmen eines Fabry-Perot-Modells als Streuung in Zustände außerhalb der CuO-Streifen verstanden werden. Außer den gerade beschriebenen Effekten war es möglich die Ladungsdichte des diskutierten Zustandes orts- und energieabhängig auf den CuO-Streifen zu studieren. Die Li0.9Mo6O17-Bronze wurde im Hinblick auf das Verhalten der elektronischen Zustandsdichte an der Fermikante untersucht. Diese Fragestellung ist besonders wegen der Quasieindimensionalität des Materials interessant. Die Messungen von STS-Spektren in der Nähe der Fermienergie zeigen, dass die Elektronen in der Li0.9Mo6O17-Bronze eine sogenannte Luttingerflüssigkeit ausbilden, die anstatt einer Fermiflüssigkeit in eindimensionalen elektronischen Systemen erwartet wird. Bisher wurde Luttingerflüssigkeitsverhalten erst bei wenigen Materialien und Systemen experimentell nachgewiesen, obschon die theoretischen Voraussagen mehr als 30 Jahre zurückliegen. Ein Charakteristikum einer Luttingerflüssigkeit ist die Abnahme der Zustandsdichte an der Fermienergie mit einem Potenzgesetz. Dieses Verhalten wurde in STS-Spektren dieser Arbeit beobachtet und quantitativ im Rahmen eines Luttingerflüssigkeitsmodells beschrieben. Auch die Temperaturabhängigkeit des Phänomens im Bereich von 5K bis 55K ist konsistent mit der Beschreibung durch eine Luttingerflüssigkeit. Generell zeigen die Untersuchungen dieser Arbeit, dass die Dimensionalität, insbesondere deren Einschränkung, einen deutlichen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Systemen und Materialien haben kann.

Untersuchung magnetischer Nanostrukturen mittels Rastertunnelspektroskopie und Kerr-Magnetometrie am Beispiel von Fe, Co, Co-Fe und Fe-Mn Nanostrukturen

Nach einer kurzen Einführung in die Entwicklung der magnetischen Anwendungen, werden in Kapitel 2 und 3 die physikalischen Grundlagen der Messmethoden, insbesondere die Rastertunnelspektroskopie und Kerr-Magnetometrie, sowie der experimentelle Aufbau erläutert. Kapitel 4 beschäftigt sich mit den magnetischen Eigenschaften von quasi ein-dimensionalen ferromagnetischen Nanostreifen und Monolagen, die durch Selbstorganisation auf einem Wolfram(110)-Einkristall mit vizinaler und glatter Oberfläche präpariert werden. Hierbei wird die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Größen, wie Remanenz, Sättigungsmagnetisierung und Suszeptibilität, sowie die Auswirkung einer Abdeckung des Systems auf die Domänenwandenergie und Anisotropie untersucht. Zusätzlich wird die Kopplung von parallelen Nanostreifen in Abhängigkeit des Streifenabstandes betrachtet. In Kapitel 5 werden das Wachstum und die Morphologie von Co-Monolagen auf W(110) untersucht. Der Übergang von pseudomorphem zu dicht gepacktem Wachstum in der Monolage wird mit Hilfe der Rastertunnelspektroskopie sichtbar gemacht, ebenso wie unterschiedliche Stapelfolgen in Tripellagen Co-Systemen. Atomar aufgelöste Rastertunnelmikroskopie erlaubt die genauen Atompositionen der Oberfläche zu bestimmen und mit theoretischen Wachstumsmodellen zu vergleichen. Auf die Untersuchung zwei-dimensionaler binärer Co-Fe und Fe-Mn Legierungen auf W(110) wird in Kapitel 6 eingegangen. Mit einer Präparationstemperatur von T=520 K ist es möglich, atomar geordnete Co-Fe Legierungsmonolagen wachsen zu lassen. Ein direkter Zusammenhang zwischen der Magnetisierung und der lokalen Zustandsdichte in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung wird gezeigt.

Temperatur- und ortsabhängige Zustandsdichte des organischen Supraleiters Kappa-(BEDT-TTF) 2 Cu[N(CN) 2]Br

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die temperatur- und ortsabhängige Zustandsdichte des organischen Supraleiters kappa-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br mit Rastertunnelspektroskopie bei tiefen Temperaturen untersucht.rnZusätzlich zur bereits bekannten supraleitenden Energielücke wird dabei eine logarithmische Unterdrückung der Zustandsdichte an der Fermikante beobachtet, die auch oberhalb der kritischen Temperatur erhalten bleibt. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass sich dieses Verhalten durch ein für ungeordnete elektronische Systeme entwickeltes Modell unter Berücksichtigung von Coulomb-Wechselwirkungen beschreiben lässt. Die daraus resultierenden Fluktuationen der elektronischen Struktur führen zu einer Verbreiterung der gemessenen supraleitenden Energielücke, die sich durch sehr kleine Kohärenzmaxima im entsprechenden Quasiteilchenanregungsspektrum äußert. Dieses Verhalten wurde bereits beobachtet, konnte jedoch bisher nicht erklärt werden. Die theoretische Beschreibung der logarithmischen Unterdrückung trägt somit zusätzlich zum Verständnis des supraleitenden Beitrags bei, sodass die gesamte Zustandsdichte vollständig beschrieben werden kann. Die Analyse der gemessenen supraleitenden Energielücke wurde für verschiedene Symmetrien des Ordnungsparameters durchgeführt, wobei die beste Übereinstimmung für die Annahme einer d-wellenartigen Symmetrie mit zwei unterschiedlich stark ausgeprägten Energielücken gefunden wurde. Der Paarbildungsmechanismus, der zur Bindung zweier Elektronen zu einem Cooper-Paar führt, kann mit einer $d$-wellenartigen Symmetrie nicht durch die in konventionellen Supraleitern gefundene Elektron-Phonon-Kopplung erklärt werden. Stattdessen wird in Analogie zur Hochtemperatur-Supraleitung eine durch antiferromagnetische Spin-Wechselwirkungen induzierte Kopplung der Elektronen vermutet. Dies wird zum einen durch die oberhalb der kritischen Temperatur auftretende, zweite Energielücke und zum anderen durch die zwischen 4,66 und 5,28 liegende Kopplungsstärke 2Delta/(kB Tc) unterstützt, die deutlich größer als für konventionelle Supraleiter mit Elektron-Phonon-Kopplung ist.

MULTISCALE EXAMINATION AND MODELING OF ELECTRON TRANSPORT IN NANOSCALE MATERIALS AND DEVICES

For half a century the integrated circuits (ICs) that make up the heart of electronic devices have been steadily improving by shrinking at an exponential rate. However, as the current crop of ICs get smaller and the insulating layers involved become thinner, electrons leak through due to quantum mechanical tunneling. This is one of several issues which will bring an end to this incredible streak of exponential improvement of this type of transistor device, after which future improvements will have to come from employing fundamentally different transistor architecture rather than fine tuning and miniaturizing the metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) in use today. Several new transistor designs, some designed and built here at Michigan Tech, involve electrons tunneling their way through arrays of nanoparticles. We use a multi-scale approach to model these devices and study their behavior. For investigating the tunneling characteristics of the individual junctions, we use a first-principles approach to model conduction between sub-nanometer gold particles. To estimate the change in energy due to the movement of individual electrons, we use the finite element method to calculate electrostatic capacitances. The kinetic Monte Carlo method allows us to use our knowledge of these details to simulate the dynamics of an entire device— sometimes consisting of hundreds of individual particles—and watch as a device ‘turns on’ and starts conducting an electric current. Scanning tunneling microscopy (STM) and the closely related scanning tunneling spectroscopy (STS) are a family of powerful experimental techniques that allow for the probing and imaging of surfaces and molecules at atomic resolution. However, interpretation of the results often requires comparison with theoretical and computational models. We have developed a new method for calculating STM topographs and STS spectra. This method combines an established method for approximating the geometric variation of the electronic density of states, with a modern method for calculating spin-dependent tunneling currents, offering a unique balance between accuracy and accessibility.

Evidence for oxygen-island formation on Al(111): Cluster-model theory and x-ray photoelectron spectroscopy

The O 1s x-ray photoelectron spectroscopy spectrum for Al(111)/O at 300 K shows two components whose behavior as a function of time and variation of detection angle are consistent with either (a) a surface species represented by the higher binding-energy (BE) component and a subsurface species represented by the lower BE component, or (b) small close-packed oxygen islands with the interior atoms represented by the lower BE component and the perimeter atoms by the higher BE component. We have modeled both situations using ab initio Hartree-Fock wave functions for clusters of Al and O atoms. For an O atom in a threefold site, it was found that a below-surface position gave a higher O 1s BE than an above-surface position, incompatible with interpretation (a). This change in the O 1s BE could arise because the bond for O to Al may have a more covalent character when the O is below the surface than when it is above the surface. We present evidence consistent with this view. An O adatom island with all the O atoms in threefold sites gives calculated O 1s BE's which are significantly higher for the perimeter O atoms. Further, the results for an isolated O island without the Al substrate present also give higher BE¿s for the perimeter atoms. Both these results are consistent with interpretation (b). Published scanning-tunneling-microscopy data supports the suggestion that the chemisorbed state consists of small, close-packed islands, whereas the presence of two vibrational modes in high-resolution electron-energy-loss spectroscopy data has been interpreted as representing surface and subsurface oxygen atoms. In light of the present results, we suggest that a vibrational interpretation in terms of interior and perimeter adatoms should be considered.

Electro-oxidation of Au(1 1 1) in contact with aqueous electrolytes: New insight from in situ vibration spectroscopy

We carried out a comprehensive study of Au(1 1 1) oxidation–reduction in the presence of (hydrogen-) sulfate ions on ideally smooth and stepped Au(S)[n(1 1 1)-(1 1 1)] single crystal electrodes using cyclic voltammetry, in situ scanning tunneling microscopy (STM) and vibration spectroscopy, such as surface-enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRAS) and shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy (SHINERS). Surface structure changes and the role of surface defects in the potential regions of double layer charging and gold oxidation/reduction are discussed based on cyclic voltammetry and in situ STM data. SEIRAS and SHINERS provide complementary information on the chemical nature of adsorbates. In particular, the potential-dependent formation and stability ranges of adsorbed sulfate, hydroxide-species and of gold surface oxide could be resolved in detail. Based on our experimental observations, we proposed new and extended mechanisms of gold surface oxidation and reduction in 1.0 M H2SO4 and 1.0 M Na2SO4.

Quantum interference in atomic-sized point contacts

The conductance of atomic-sized metallic point contacts is shown to be strongly voltage dependent due to quantum interference with impurities even in samples with low impurity concentrations. Transmission through these small contacts depends not only on the local atomic structure at the contact but also on the distribution of impurities or defects within a coherence length of the contact. In contrast with other mesoscopic systems we show that transport through atomic contacts is coherent even at room temperature. The use of a scanning tunneling microscope (STM) makes it possible to fabricate one atom contacts of gold whose transmission can be controlled by manipulation of the contact allowing inelastic spectroscopy in such small contacts.

Controlled Complete Suppression of Single-Atom Inelastic Spin and Orbital Cotunneling

The inelastic portion of the tunnel current through an individual magnetic atom grants unique access to read out and change the atom’s spin state, but it also provides a path for spontaneous relaxation and decoherence. Controlled closure of the inelastic channel would allow for the latter to be switched off at will, paving the way to coherent spin manipulation in single atoms. Here, we demonstrate complete closure of the inelastic channels for both spin and orbital transitions due to a controlled geometric modification of the atom’s environment, using scanning tunneling microscopy (STM). The observed suppression of the excitation signal, which occurs for Co atoms assembled into chains on a Cu2N substrate, indicates a structural transition affecting the dz2 orbital, effectively cutting off the STM tip from the spin-flip cotunneling path.

Using Surface Spectroscopy to Help Interpret STM Images of Chemisorbed Molecules: Application to the Study of the Hydrogenation of Ketones and a-Ketoesters on Pt

Depuis que la haute énantiopureté est nécessaire dans l’industrie pharmaceutique, les études visant à découvrir les mécanismes pour l’hydrogénation énantiosélective de cétones ou céto-esters sur les surfaces, et à rechercher de nouveaux et plus performants catalyseurs asymétriques, sont d’une grande importance. La microscopie à effet tunnel (STM), la spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption, la spectroscopie de désorption à température programmée et la spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sont des méthodes performantes facilitant la compréhension des mécanismes de réaction. En plus de nous permettre de comprendre les mécanismes réactionnels, les études peuvent fournir des informations sur la dynamique des réactions en catalyse hétérogène ainsi que sur le développement de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) afin de calculer des interactions faibles dans les processus de surface. D’autres parts, les calculs DFT fournissent une aide essentielle à l’interprétation des données de STM et spectroscopie de surface. Dans cette thèse, certains cétones et céto-esters sur la surface de platine sont étudiées par les techniques sophistiquées mentionnées ci-dessus. Mes études démontrent que la combinaison de l’utilisation de la spectroscopie de routine, des nanotechnologies et de nombreux calculs élaborés, est une méthode efficace pour étudier les réactions à la surface car ces techniques explorent les différents aspects de la surface ainsi que s’entraident mutuellement lors de certaines interprétations.

Electronic And Structural Study Of Pt-modified Au Vicinal Surfaces: A Model System For Pt-au Catalysts.

Two single crystalline surfaces of Au vicinal to the (111) plane were modified with Pt and studied using scanning tunneling microscopy (STM) and X-ray photoemission spectroscopy (XPS) in ultra-high vacuum environment. The vicinal surfaces studied are Au(332) and Au(887) and different Pt coverage (θPt) were deposited on each surface. From STM images we determine that Pt deposits on both surfaces as nanoislands with heights ranging from 1 ML to 3 ML depending on θPt. On both surfaces the early growth of Pt ad-islands occurs at the lower part of the step edge, with Pt ad-atoms being incorporated into the steps in some cases. XPS results indicate that partial alloying of Pt occurs at the interface at room temperature and at all coverage, as suggested by the negative chemical shift of Pt 4f core line, indicating an upward shift of the d-band center of the alloyed Pt. Also, the existence of a segregated Pt phase especially at higher coverage is detected by XPS. Sample annealing indicates that the temperature rise promotes a further incorporation of Pt atoms into the Au substrate as supported by STM and XPS results. Additionally, the catalytic activity of different PtAu systems reported in the literature for some electrochemical reactions is discussed considering our findings.

Fluorescence in nanostructured fulleride films

Applied Physics Letters, 89