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Title
Charge transfer through thin dielectric films: Organic molecules on MgO(001)/Ag(001)
Additional Titles
Charge transfer through thin dielectric films: Organic molecules on MgO(001)/Ag(001)
AuthorHollerer, Michael
CensorSterrer, Martin ; Grill, Leonhard
PublishedGraz, 2019
Institutional NoteKarl-Franzens-Universität Graz, Dissertation, 2019
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Abweichender Titel laut Übersetzung des Verfassers/der Verfasserin
Document typeDissertation (PhD)
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-137820 Persistent Identifier (URN)
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Charge transfer through thin dielectric films: Organic molecules on MgO(001)/Ag(001) [8.51 mb]
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Abstract (German)

Die Untersuchung von epitaktisch gewachsenen, ultradünnen dielektrischen Schichten auf Metallsubstraten ist von großem Interesse für die Forschungsfelder der Katalyse und der organischen Elektronik. Hier untersuchen wir die Energieanpassung von Adsorbaten auf Dielektrikum/Metall Systemen und deren resultierenden Ladungszustand. Weiters demonstrieren wir den Einfluss von Ladungstransfer auf fundamentale physikalische und chemische Prozesse. Zu diesem Zweck untersuchen wir organische und inorganische Adsorbate systematisch auf reinen Silber-Einkristallen (Ag(001)) und auf ultradünnen Magnesiumoxidfilmen (MgO) auf Ag(001).Wir beobachten ganzzahligen Ladungstransfer in das LUMO von Pentacen (5A) auf MgO(001)/Ag(001) und fraktionellen Ladungstransfer von 0.7 Elektronen pro Molekül auf reinem Ag(001). Weiters bestimmen wir die individuellen Beiträge der Energieanpassung und präsentieren näherungsweise Zahlenwerte. Schlussendlich untersuchen wir den Ausgleichsmechanismus, der zur finalen (konstanten) Austrittsarbeit führt, mittels Variation der Ausgangs-Austrittsarbeit.Ladungstransfer zu 2-dimensionalen Gold (Au) Inseln auf MgO(001)/Ag(001) ermöglicht die katalytische Bildung von Oxalat aus Kohlendioxid. Wir finden einen morphologischen Übergang von 2D zu 3D Au-Inseln welcher mit einer signifikanten Reduktion der Oxalat-Bildung einhergeht. Wir folgern, dass die katalytische Reaktivität durch Überschussladungen ermöglicht wird, welche am Rand der Au-Inseln lokalisiert sind.Weiters zeigen wir, dass die Selbstmetallierung von Tetraphenylporphyrin (2H-TPP) zu Mg-TPP auf MgO(001)/Ag(001) durch Ladungstransfer kontrolliert werden kann. Dafür wird die Ausgangs-Austrittsarbeit des Substrats so variiert, das Ladungstransfer auftritt oder unterbunden wird. Die Metallierung wird dann mittels XPS (N 1s) überprüft.Schlussendlich präsentieren wir eine Studie zur Monolagenbildung von Wasser auf MgO(001)/Ag(001) sowie eine detaillierte Wachstumsstudie von Para-Sexiphenyl (6P) auf Ag(001).

Abstract (English)

The investigation of epitaxially grown, ultra-thin dielectric films on metal substrates is of great interest in the fields of catalysis and organic electronics. Here, we explore the energy alignment of adsorbates on top of dielectric/metal systems and their resulting charge state. Finally, we demonstrate the impact of charge transfer on fundamental physical and chemical. Organic and inorganic adsorbates are therefore systematically investigated on pristine silver single crystals (Ag(001)) and on Ag(001) supported magnesium oxide (MgO) ultra-thin films.We demonstrate integer charge transfer to the Lowest Unoccupied Molecular Orbital of pentacene (5A) adsorbed on MgO(001)/Ag(001) and fractional charge transfer of 0.7 electrons per molecule on pristine Ag(001). We identify the individual energy level alignment contributions and roughly quantify them. By varying the initial workfunction of the MgO(001)/Ag(001) substrate the equilibration mechanism, leading to the final, constant workfunction, is investigated.Charge transfer to 2-dimensional gold (Au) islands on MgO(001)/Ag(001) enables the catalytic formation of oxalates from carbon-dioxides. Here, we find a morphological transition from 2D to 3D Au-islands upon annealing to elevated temperatures that coincides with a significant decrease of the oxalate formation We conclude that the catalytic reactivity is facilitated by excess charges located on the rim of 2-dimensional Au-islands. In a related topic, we demonstrate that charge transfer controls the self-metalation reaction of free-base porphyrin (2H-TPP) to Mg-TPP on MgO(001)/Ag(001). We achieve this by tuning of the initial substrate workfunction, either enabling or inhibiting charge transfer, and monitoring of the N 1s XPS signal of the porphyrins. Furthermore, we present a scanning tunneling microscopy study on the monolayer formation of water on MgO(001)/Ag(001) and a combined-method growth study on Para-Sexiyphenyl (6P) on pristine Ag(001).

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