Structural analysis of 1,3,7-trimethylxanthine formations on Au(111)
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Date
2021
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Abstract
In dieser Arbeit wird die Anordnung von Koffeinmolekülen auf einer Au(111)-Oberfläche mittels Rastertunnelmikroskopie (STM), niederenergetische Elektronenbeugung (LEED), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen untersucht. Dafür werden dünne Koffeinfilme mittels Molekularstrahlepitaxie(MBE) im Ultrahochvakuum (UHV) präpariert und zunächst bei Raumtemperatur untersucht. Die Koffeinmoleküle ordnen sich bei monomolekularer Bedeckung in einer quasi-hexagonalen Phase auf Au(111) an. Dabei sind zwei gespiegelte Domänen in Bezug auf die Substratoberfläche in STM und LEED Experimenten messbar. Aus diesen Messungen wird zunächst auf eine periodische Schicht mit nur einem Molekül in der Einheitszelle geschlossen. In durchgeführten XPS-Experimenten wird keine starke Wechselwirkung mit dem Substrat beobachtet. Dies motiviert eine theoretische Analyse der Koffein-Monolagen-Struktur, welche mit ab-initio DFT Simulationen durchgeführt wird. Aus den Ergebnissen der Simulation lässt sich folgern, dass eine Koffein-Monoschicht mit mindestens drei Molekülen in unterschiedlichen Chiralitäten pro Einheitszelle präferiert wird. Diese Hypothese ist kompatibel mit allen aufgenommenen Messdaten.
Zusätzlich zur Untersuchung bei Raumtemperatur erfolgt eine Strukturanalyse bei tiefen Temperaturen mit Fokus auf Submonolagen-Bedeckung der Koffeinmoleküle. In der Monolagen-Bedeckung kann auch bei tiefen Temperaturen die quasi-hexagonale Ordnung der Koffeinmoleküle auf dem Goldsubstrat reproduziert werden. Ebenfalls kann gezeigt werden, dass mehr als ein Molekül in der Adsorbat-Einheitszelle vorhanden ist und die Hypothese der dreimolekularen Einheitszelle wird gestärkt. Im Gegensatz zu den Raumtemperatur STM Messungen gelingt es bei tiefen Temperaturen Untersuchung bei Submonolagen-Bedeckung durchzuführen. Dort werden distinkte Ansammlungen von Koffeinmolekülen in definierter Ausrichtung zum Substrat gefunden. Diese können als Bausteine chiraler Motive auf der Oberfläche identifiziert werden. Im Übergang zur dichten quasi-hexagonalen Monolage geht die Struktur dieser Bausteine verloren und die bekannte Formation stellt sich ein. Diese Ergebnisse tragen zusätzlich zum Verständnis des Formationsprozesses einer Koffein-Monolage bei.
In this work, the formation of caffeine molecules on a Au(111) surface is investigated by scanning tunneling microscopy (STM), low-energy electron diffraction (LEED), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and density functional theory (DFT) calculations. The thin caffeine films are prepared by molecular beam epitaxy (MBE) in ultra-high vacuum (UHV) and studied at room temperature. In monomolecular coverage, the caffeine molecules assemble in a quasi-hexagonal phase on Au(111). Thereby, two mirrored domains are measurable with respect to the substrate surface in STM and LEED experiments. From these measurements, a periodic layer with only one molecule in the unit cell is initially deduced. In XPS experiments, no strong interaction with the substrate is observed. This motivates a theoretical analysis of the caffeine monolayer structure, which is performed with ab-initio DFT simulations. From the simulation results, it can be concluded that a caffeine monolayer formation with at least three molecules in different chiralities per unit cell is preferred. This hypothesis is in accordance with all recorded measurement data. In addition to the room temperature study, a structural analysis is performed at low temperatures focusing on submonolayer coverage of caffeine molecules on the Au(111) surface. In monolayer coverage, the quasi-hexagonal order of the caffeine molecules on the gold substrate can be reproduced at low temperatures. Also, it can be shown that more than one molecule is present in the adsorbate unit cell and the three-molecule unit cell hypothesis is strengthened. In contrast to the room temperature STM measurements, it is possible to perform investigations of the submonolayer coverage at low temperatures. There, distinct assemblies of caffeine molecules are found in defined orientation to the substrate. These can be identified as building blocks of chiral motifs on the surface. For higher coverage the transition to the dense quasi-hexagonal monolayer is observable. Thus, the assembled formations of the building blocks disappear and the aforementioned monolayer formation recurs. These results contribute to the understanding of the formation process of caffeine monolayers on crystalline substrates.
In this work, the formation of caffeine molecules on a Au(111) surface is investigated by scanning tunneling microscopy (STM), low-energy electron diffraction (LEED), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and density functional theory (DFT) calculations. The thin caffeine films are prepared by molecular beam epitaxy (MBE) in ultra-high vacuum (UHV) and studied at room temperature. In monomolecular coverage, the caffeine molecules assemble in a quasi-hexagonal phase on Au(111). Thereby, two mirrored domains are measurable with respect to the substrate surface in STM and LEED experiments. From these measurements, a periodic layer with only one molecule in the unit cell is initially deduced. In XPS experiments, no strong interaction with the substrate is observed. This motivates a theoretical analysis of the caffeine monolayer structure, which is performed with ab-initio DFT simulations. From the simulation results, it can be concluded that a caffeine monolayer formation with at least three molecules in different chiralities per unit cell is preferred. This hypothesis is in accordance with all recorded measurement data. In addition to the room temperature study, a structural analysis is performed at low temperatures focusing on submonolayer coverage of caffeine molecules on the Au(111) surface. In monolayer coverage, the quasi-hexagonal order of the caffeine molecules on the gold substrate can be reproduced at low temperatures. Also, it can be shown that more than one molecule is present in the adsorbate unit cell and the three-molecule unit cell hypothesis is strengthened. In contrast to the room temperature STM measurements, it is possible to perform investigations of the submonolayer coverage at low temperatures. There, distinct assemblies of caffeine molecules are found in defined orientation to the substrate. These can be identified as building blocks of chiral motifs on the surface. For higher coverage the transition to the dense quasi-hexagonal monolayer is observable. Thus, the assembled formations of the building blocks disappear and the aforementioned monolayer formation recurs. These results contribute to the understanding of the formation process of caffeine monolayers on crystalline substrates.
Description
Table of contents
Keywords
Rastertunnelmikroskopie, Organische Monolagen, 1,3,7-trimethylxanthine, Koffein, Strukturbestimmung, Scanning tunneling microscopy, Organic monolayers, Caffeine, Structure determination