Adsorptionsrelevante Parameter bei der Wechselwirkung zwischen organischen Ringmolekülen und GaAs(001) Oberflächen

Abstract

In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Parameter sowohl molekül- als auch oberflächenseitig die Grenzflächenbildung zwischen kleinen organischen Ringmolekülen und III-V Halbleiteroberflächen entscheidend beeinflussen. In diesem Zusammenhang wurden an Grenzflächen zwischen verschiedenen kleinen Ringmolekülen (Pyrrol, 3-Pyrrolin und Cyclopenten) und GaAs(001) Oberflächen Messungen mit Rastertunnelmikroskopie (STM) und -spektroskopie (STS) durchgeführt, sowie Untersuchungen mit Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS), Photoelektronen-Spektroskopie (PES) und thermischer Desorptionsspektroskopie. Mit Hilfe dieser Messungen konnten wesentliche Erkenntnisse über das Adsorptionsverhalten dieser Moleküle auf GaAs Oberflächen gewonnen werden und daraus grundlegende Parameter identifiziert werden, die die Wechselwirkung zwischen organischen Molekülen und III-V Halbleiteroberflächen bestimmen. Im Zentrum dieser Arbeit stand die Fragestellung, ob sich die Reaktivität von Halbleiteroberflächen aufgrund ihrer unbesetzten bzw. besetzten hängenden Bindungen (dangling bonds) analog zu organischen elektrophilen bzw. nukleophiler Reaktanten beschreiben lässt. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit unterschiedlich rekonstruierte GaAs(001) Oberflächen verwendet, die sich hinsichtlich ihrer jeweiligen dangling bonds unterscheiden. Dabei zeigte sich, dass das aromatische Molekül Pyrrol nur auf solchen GaAs Oberflächen chemisorbieren kann, die in Form von unbesetzten dangling bonds über elektrophile Oberflächenplätze verfügen. Auf Oberflächen, die ausschließlich besetzte dangling bonds (nukleophile Oberflächenplätze) aufweisen, kann Pyrrol dagegen lediglich physisorbieren. Mit Hilfe von STS Messungen war es dabei möglich, die Lage der elektronischen Zustände zu identifizieren, und zu zeigen, wie die unterschiedlichen Adsorptionsmechanismen (Chemisorption/Physisorption) die elektronischen Zustände der adsorbierten Moleküle modifizieren. Den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die Frage, welchen Einfluss die Aromatizität der adsorbierten organischen Moleküle auf den Adsorptionsprozess besitzt. Um diesen Aspekt zu untersuchen, wurde das Adsorptionsverhalten des aromatischen Moleküls Pyrrol mit dem Adsorptionsverhalten des strukturell nahezu identischen, jedoch nicht-aromatischen Moleküls 3-Pyrrolin verglichen. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen, dass das nichtaromatische 3-Pyrrolin auf nukleophilen Oberflächen chemisorbieren kann, während das aromatische Pyrrol lediglich physisorbiert. Die Aromatizität verhindert also offenbar eine kovalente Anbindung von Pyrrol an nukleophilen Oberflächen. Neben den Untersuchungen dazu, wie die Eigenschaften der Moleküle und Oberflächen den Adsorptionsprozess beeinflussen, wurde in dieser Arbeit außerdem untersucht, wie die Adsorption organischer Moleküle die elektronischen Eigenschaften der Halbleiteroberflächen modifizieren kann. Die Ergebnisse zeigen zum einen, dass das Aufbrechen der As-As Dimerbindung an der c(4x4) Oberfläche zu einer signifikanten Änderung der elektrischen Felder an der Oberfläche führen kann und stützen darüber hinaus ein kürzlich vorgeschlagenes neuartiges Modell für die Oberflächenbandverbiegung an GaAs(001) Oberflächen. In this work it has been investigated, which molecule and surface characteristics are of crucial importance for the interactions between small organic ring molecules and III-V semiconductor surfaces. In this context interfaces between different small ring molecules (pyrrole, 3-pyrroline and cyclopentene) and GaAs(001) surfaces were investigated with scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) as well as reflectance anisotropy spectroscopy (RAS), photoelectron spectroscopy (PES) and thermal desorption spectroscopy (TDS). By the help of these measurements differentiated knowledge could be gained about the adsorption behaviour of these molecules on GaAs surfaces which allowed the identification of fundamental parameters determining the interaction organic ring molecules and III-V surfaces in general. The central question of this work was, whether the reactivity of semiconductor surfaces can be described analogously to organic electrophilic or nucleophilic reactants depending on the respective occupation of their surface dangling bonds. For this purpose differently reconstructed GaAs(001) surfaces were used which deviate in terms of their respective dangling bonds. The experiments showed that the aromatic molecule pyrrole can only chemisorb on those GaAs surfaces which exhibit electrophilic surface sites by providing unoccupied dangling bonds at the surface. In contrast to this, pyrrole can only physisorb on surface which only exhibited occupied dangling bonds (nucleophilic surface sites). By the help of STS measurements is was possible to identify the molecular electronic states and to show how the different adsorption mechanisms (chemisorption/physisorption) modify the electronic states of the adsorbed molecules. The second key aspect of this work was the question how the aromaticity of the adsorbed organic molecules influence the adsorption process. In order to investigate this aspect the adsorption behaviour of the aromatic molecule pyrrole was compared to the adsorption behaviour of the non-aromatic molecule 3-pyrroline which is structurally almost identicyl to pyrrole. The results of this work give evidence that the non-aromatic 3-pyrroline can chemisorb on nucleophilic surfaces while the aromatic pyrrole can only physisorb. The aromaticity therefore appears to prevent to the covalent attachment of pyrrole to nucleophilic surfaces. Besides the investigations on how the characteristics of the molecules and surface influence the adsorption process it has also been investigated how the adsorption of organic molecules can modify the electronic properties of the semiconductor surfaces. The results showed that the adsorption-induced splitting of the As-As dimer bond at the c(4x4) surface can cause a significant modification of the electric surface fields. Furthermore, the results support a recently suggested innovative model for the surface band bending at GaAs(001) surfaces.