Studium molekulárních struktur na povrchu pevných látek

Taras CHUTORA

Doctoral thesis

Study of molecular structures on solid states surfaces

Abstract:

Advances in understanding of molecular structures and their conformations on surfaces are crucial for developing the next generation of nanodevices. From an experimental point of view, Scanning Probe Microscopy (SPM) techniques offer the unique possibility to characterize and manipulate single molecules at the atomic scale. In this thesis, we present investigations of the physicochemical properties of fullerene-based nanostructures and exploration of new routes for on-surface synthesis of one-dimensional molecular wires. Moreover, we demonstrate a new promising SPM tip functionalization which enables atomic resolution imaging of molecular structures on a surface. All the experimental findings of this thesis are supported by state-of-the-art theoretical calculations. In the first part of this thesis, we show results of our combined experimental and theoretical investigation of controlled modification of fullerene molecules on Au(111) surface. By using low-energy (120 eV) Ar+ ion sputtering we create fullerene-derived nanostructures at room temperature. Such nanostructures show enhanced chemical interaction to the substrate via formation of stable Au-C bonds. In the second part of this thesis, we present a detailed novel methodology for SPM tip functionalization with a new molecular candidate. We successfully functionalize the Au tip apex with a single nitrous oxide molecule (N2O) and benchmarked its capabilities by imaging FePc molecules with sub-molecular resolution and acquiring site-specific force spectroscopies. The results are both quantitatively and qualitatively compared to those obtained with widely used carbon monoxide (CO) tips. Finally, we use on-surface synthesis to engineer a low electronic bandgap polymer based on anthracene molecular building blocks. We illustrate the pathway of the synthesis emphasizing three major steps: dehalogenation, diffusion of the molecules on the surface and homocoupling. We further characterize the electronic and conformational properties of the polymer by means of low-temperature scanning tunnelling microscopy and atomic force microscopy (LT-STM/AFM) measurements and theoretical calculations.

Abstract:

Pro vývoj nové generace nanozařízení jsou klíčové pokroky v porozumění molekulárním strukturám a jejich povrchové konformaci. Z experimentálního hlediska nabízí techniky mikroskopie skenující sondou (SPM) jedinečnou příležitost charakterizovat a manipulovat jednotlivými molekulami v atomárním měřítku. V této práci je představen výzkum fyzikálně-chemických vlastností nanostruktur na bázi fullerenu a hledání nových způsobů povrchové syntézy jednorozměrných molekulárních drátů. Dále je pak prezenrována nová slibná funkcionalizace SPM hrotu, která umožňuje zobrazení povrchových molekulárních struktur v atomárním rozlišení. Všechny experimentální výsledky této práce jsou podloženy nejmodernějšími teoretickými výpočty. V první části této práce jsou prezentovány výsledky kombinovaného experimentálního a teoretického výzkumu řízené modifikace molekul fullerenu na povrchu Au(111). Použitím nízkoenergetického (120 eV) Ar+ iontového naprašování jsou vytvářeny nanostruktury odvozené od fullerenu a to při pokojové teplotě. Takové nanostruktury vykazují zvýšenou chemickou interakci se substrátem pomocí stabilních vazeb Au-C. V druhé části této práce je prezentována nová podrobná metodologie funkcionalizace SPM hrotu s novým molekulárním kandidátem. Úspěšně byl funkcionalizován vrchol Au hrotu s jednou molekulou oxidu dusného (N2O) a porovnám jeho schopnosti zobrazením molekul FePc s submolekulárním rozlišení a získáním místně specifických silových spektroskopií. Výsledky jsou kvantitativně i kvalitativně porovnány s výsledky získanými pomocí široce využívaných hrotů z oxidu uhelnatého (CO). Následuje použití povrchové syntézy pro přípravu nízkoelektronového bandgap polymeru založeného na anthracenových molekulárních stavebních blocích. Byly znázorněny cestu syntézy s důrazem na tři hlavní kroky: dehalogenace, difúze molekul na povrchu a homocoupling. Dále budou charakterizovány elektronické a konformační vlastnosti polymeru pomocí nízkoteplotní skenovací tunelové mikroskopie a měření mikroskopie atomové síly (LT-STM/AFM) a teoretických výpočtů.

Keywords

LT-STM/AFM, funkcionalizace hrotu, nanostruktury, molekulární elektronika

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 9. 6. 2019

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 9. 10. 2019
• Vedúci: prof. RNDr. Miroslav Hrabovský, DrSc.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / odbor:
Physics / Applied Physics