Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1777
Main Title: Surface and interface structure of electrochemically grafted ultra-thin organicfilms on metallic and semiconducting materials
Translated Title: Oberflaechen und Grenzoberflaechenstruktur von elektrochemisch aufgebrachten duennen organischen Schichten auf Metall- und Halbleiteroberflaechen
Author(s): Roodenko, Ecatherina
Advisor(s): Esser, Norbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Dissertation zeigt die Untersuchungen von Metall- und Halbleiteroberflächen, die mit dünnen organischen Schichten elektrochemisch modifiziert wurden. Die Charakterisierung der Struktur von Grenzflächen und der molekularen Anordnung in dünnen Schichten ist für die Optimierung der Filmeigenschaften und damit auch die Optimierung der verwendeten Präparationstechnik erforderlich. Die Verbesserung von organisch-anorganischen Hybridschichten ist insbesondere für die Verwendung in Photovoltaik- und Sensortechnologie von großer Wichtigkeit. Dünne organische Schichten im Bereich von 3-6 nm wurden elektrochemisch aus Benzol-diazonium-tetrafluoroborat auf Halbleiter- und Metalloberflächen aufgebracht. Die Charakterisierung der Proben wurde mittels infrarotspektroskopischer Ellipsometrie (IRSE) und Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) durchgeführt. Die Kombination beider Methoden ermöglichte eine unabhängige Untersuchung der Dicke und der chemischen Komposition der organischen Schichten. Es wird gezeigt, dass die dünnen Filme auf den Oberflächen in Form von ungeordneten Schichten aus polymerisierten Benzolderivaten vorliegen. Für die auf Si(111) präparierten Proben wird gezeigt, dass sich SiOx Grenzflächen unter den organischen Filmen während des elektrochemischen Prozesses ausbilden. Eine kreuzkorrelierte Analyse der mit XPS gemessenen Rumpfniveauzustände und der IR-Absorptionsbanden ermöglichte es, die SiOx Suboxid Struktur quantitativ zu untersuchen. Die Stabilität der ultradünnen organischen Schichten unter atmosphärischen Bedingungen wurde für verschiedene auf Si(111) aufgebrachte organische Schichten getestet. Die organischen Filme zeigten eine gute Beständigkeit unter diesen Bedingungen. Der Vergleich der auf Si(111) aufgetragenen Schichten aus Nitrobenzol (NB) und 4-Methoxydiphenylamin (4-MDA) hat gezeigt, dass die Oxidation von Siliziumoberflächen unter 4-MDA langsamer ist. Dieses Ergebnis ist auf die Molekülgröße zurückzuführen: Während NB aus einem Benzolring besteht, besteht 4-MDA aus zwei Benzolringen und wirkt damit effektiver gegen die Oxidation der Oberflächen. Detaillierte Untersuchungen des Reduktionsprozesses, der die NO2 Gruppe des Nitrobenzols zu NH2 Gruppen des Anilins unter Röntgenbestrahlung umwandelt, werden beschrieben. Ein detaillierter Mechanismus dieser Konversion wird auf der Basis von sorgfältiger Analyse der XPS-Spektren vorgeschlagen.
In this work we present the studies of electrochemically modified metallic and semiconducting surfaces with thin organic films. For optimization of the surface properties and thus also of the preparation techniques, characterization of the structure of the thin organic films and of the organic/inorganic interfaces is necessary. Such optimization is especially important for applications of the hybrid organic/inorganic materials in photovoltaic and sensor technologies. Thin organic films (of 3-6 nm thickness) were electrochemically deposited on metallic and semiconducting surfaces from benzene diazonium tetrafluorborate compounds. Characterization of the deposited films was performed using mainly infrared spectroscopic ellipsometry (IRSE) and X-rays photoelectron spectroscopy (XPS). The combination of these methods enabled independent studies of the thickness and chemical composition of the organic layers. This work shows that the organic films form disordered layers which consist of polymerized units. For Si(111) surfaces, we showed that during the electrochemical deposition, SiOx interfaces form beneath the organic layers. Cross-correlated analysis of the core level spectra as measured by XPS and of the IR absorption bands as measured by IRSE allowed quantitative studies of the SiOx sub-oxide structure. Tests of the stability to atmospheric conditions for various ultra-thin organic layers on Si(111) surfaces were performed. It was found out that the organic layers do not desorb during the storage under atmospheric conditions. At the same time, however, we showed that the oxidation of the silicon/organic interface takes place. A comparison between the surfaces modified with nitrobenzene (NB) and 4-methoxydiphenyl amine (4-MDA) has shown that the interface oxidation proceeds slower beneath the 4-MDA thin films. The reason for this is the molecular size: while the NB molecules consist of only one benzene ring, the 4-MDA molecules consist of two such rings and thus screen the surface more effectively against oxidation. This work presents a detailed analysis of an additional interesting issue: the reduction process of nitrobenzene layers to aniline upon X-rays irradiation. The mechanism of this conversion was proposed based on the careful deconvolution of the XPS core level spectra.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-17353
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2074
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1777
Exam Date: 14-Dec-2007
Issue Date: 14-Feb-2008
Date Available: 14-Feb-2008
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Dünne organische Schichten
Elektrochemie
Infrarot-Ellipsometrie
Photoelektronenspektroskopie
Electrochemistry
Infrared ellipsometry
Photoelectron spectroscopy
Thin organic films
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