Echtzeitbeobachtung wachsender organischer Nanostrukturen

Organische Farbstoffe werden vielfach als aktive Schichten in opto-elektronischen Bauteilen wie LEDs und Solarzellen verwendet. Dabei wechselwirkt das Licht mit den elektronischen Zuständen der Moleküle. Um die fundamentalen Materialeigenschaften zu untersuchen, liegt es nahe, einkristalline Proben zu verwenden. Nicht immer liegen aber makroskopische Kristalle vor. Häufig werden die Materialien durch Vakuum-Sublimation aufgebracht, so dass die Filme nur auf einer sub-Mikrometer-Skala eine einheitliche kristalline Beschaffenheit ohne Defekte zeigen. Ziel des Projektes ist es, die optischen und elektronischen Eigenschaften der organischen Nanostrukturen (Dünnschichtphasen und Kristallite) auf mikroskopischer Skala zu korrelieren. Ein sehr nützliches Werkzeug hierfür ist das Photoelektronen-Emissions-Mikroskop (PEEM), da es nicht nur die Morphologie mit einer lateralen Auflösung von 50 nm aufnehmen kann, sondern auch deren Veränderung während des Wachstums bzw. thermischen Ausheilens. Wird polarisiertes UV-Licht für die Anregung verwendet, lässt sich auch die Orientierung der Moleküle in einzelnen Nanostrukturen bestimmen. Im Spektroskopie-Modus kann zusätzlich deren elektronische Struktur untersucht werden. Die Absorption und die Reflektion von Licht sind komplementäre Prozesse. Für Anwendungen im PEEM spielt nur das Licht mit Energien oberhalb des Ionisationspotentials eine Rolle. Das sichtbare oder infrarote Licht, obwohl technisch relevant, wird nicht genutzt. Im Rahmen des vorliegenden Projektes soll daher an einer Kombination der optischen Spektroskopie und der Photoelektronen- Mikroskopie gearbeitet werden. Das Experiment ist sehr gut dazu geeignet, Wachstumsprozesse von organischen Molekülen wie Pentazen oder perfluoriniertem Pentazen auf Cu(110)-Oberflächen in Echtzeit zu untersuchen. Durch die Präparation von Schichten aus verschiedenen Molekülen lässt sich die Wechselwirkung dieser Moleküle im Detail studieren. Es ist beabsichtigt die elektronischen Eigenschaften mittels PEEM und die optischen Eigenschaften mit Hilfe der Differentiellen Reflektionsspektroskopie (DRS) zu untersuchen. Mit beiden Techniken soll das Wachstum organischer Nanostrukturen simultan beobachtet werden. Die Kombination beider Techniken erlaubt es, die Morphologie und Kristallstruktur mit den elektronischen und optischen Eigenschaften der untersuchten Nanostrukturen unmittelbar zu verknüpfen. Durch Optimierung der Wachstumsparameter ist es dann möglich, bestimmte Kristallit-Strukturen mit vorgegebenen opto-elektronischen Eigenschaften gezielt und reproduzierbar herzustellen.

Innerhalb des Projektes Echtzeitbeobachtung wachsender organischer Nanostrukturen wurden Methoden weiterentwickelt, um bereits während des Aufdampfens von Schichten organischer Moleküle diese zu charakterisieren. Ziel war es dabei, die Photoelektronen-Emissionsmikroskopie (PEEM) und optische Reflexionsmessungen zu kombinieren. PEEM ist eine bildgebende Methode, mit der die Morphologie der Probenoberfläche mit sub-Mikrometer Auflösung erfasst wird. Insbesondere durch die Wechselwirkung mit dem Substrat ändern sich die elektronischen Eigenschaften der ersten Moleküllagen auf dem Substrat stark, wodurch ein gut zu messender Kontrast im PEEM besteht.Bei der Differentiellen Reflexionsspektroskopie (DRS) wird die Veränderung der Reflexion der Probe spektral als Funktion der Zeit bzw. als Funktion der Bedeckung während eines Aufdampfexperimentes gemessen. Im Rahmen des Projektes wurde die Methode nicht nur erfolgreich in das bestehende PEEM integriert, sondern auch schrittweise verbessert. Bereits mit der ersten Version des Reflexionsaufbaus, mit einer einzigen Photodiode als Detektor, konnten bereits wichtige Erkenntnisse zur Polarisationsabhängigkeit der Photoelektronen-emission und der Reflexion des einfallenden UV-Lichtes an der Probenoberfläche gesammelt werden. Diese ersten Messungen erlaubten noch keine Echtzeit-Beobachtung. In der finalen Version wurde die Datenaufnahme der PEEM-Daten und des polarisationsabhängigen DRS voll synchronisiert. Innerhalb des optischen Detektionssystems wird dabei das Licht in zwei zueinander senkrecht stehende, linear polarisierte Komponenten zerlegt. Die optischen Übergänge in den Molekülen sind mit deren Geometrie verknüpft. Wenn ein bestimmter optischer Übergang besonders ausgeprägt in einer Polarisationskomponente nachgewiesen wird, kann daher auf eine (präferentielle) Ausrichtung der Moleküle auf der Oberfläche geschlossen werden. Vergleichende Messungen, bei denen das organische Molekül -Sexithiophen auf verschiedene Silberoberflächen aufgebracht wurde, bestätigen dies: Eine (111) orientierte Silberoberfläche ist isotrop. Entsprechend zeigen die Reflexionsmessungen für die beiden polarisierten Komponenten ähnliche DRS-Spektren. Durch die hohe Anzahl atomarer Stufen ist eine Ag(441)-Oberfläche stark anisotrop. Die Moleküle orientieren sich auf dieser Oberfläche entlang der Stufen wodurch der molekulare Fingerprint einer dicken Schicht nur in einer Polarisationskomponente nachzuweisen ist. Durch die Polarisationsabhängigkeit der optischen Spektren konnte unter anderem auch gezeigt werden, dass es während des Wachstums von perfluoriniertem Pentazen innerhalb des Auffüllens der ersten Lage zu einer Umorientierung der Moleküle auf der Oberfläche kommt.