Interface Properties of Metal-Molecule-Metal Junctions for Electronics Applications

Abstract

The permanent miniaturization in the field of microelectronics requires new concepts beside the established Si based technology. The use of single molecules or organic thin layers as active components in nano‐scaled devices represents one promising option. In this thesis, metal‐molecule‐metal junctions with Self Assembled Monolayers (SAMs) as molecular building blocks were intensively investigated. Especially the metal‐molecule interface properties are of high interest due to their fundamental importance concerning the junctions’ transport properties. In this respect, the phenomenon of the contact resistance plays a major role. Various SAMs on Au(111) and their metallization based on an electrochemical approach to build up metal‐molecule‐metal junctions were characterized concerning the structural and chemical properties. The interfaces of the different systems were investigated by photoelectron spectroscopic methods to unravel the impact of the interfacial chemical interactions onto the electronic structure of the metal electrodes. SAMs of 4‐Mercaptopyridine and 4‐(4‐Mercaptophenyl)Pyridine and their metalli‐ zation with closed Pd overlayers were in the focus within the concept of molecular families. It could be demonstrated, that the interactions at the junction interfaces, resulting in local density of states (LDOS) effects in the electronic structure of the metal electrodes, do not solely depend on the head and terminal group of the molecules, but also on the molecular backbone. 4‐Mercaptophenol SAMs as an example of non‐pyridine terminated SAMs could not be metallized, most probably due to the hydroxyl type terminal group. Thiazole based SAMs could successfully be metallized with Pd, resulting in a stable junction. Again, at the interfaces of the junction LDOS effects were detected, however weaker pronounced compared to similar systems. In addition, thiol‐free SAMs of Dicyanobenzene (DCB) were in the focus of the project. The DCB molecules arrange as flat lying arrangement on the Au surface. The metallization with Pd islands on top was carried out resulting in a junction with ultrathin molecular spacing. Finally the concept was extended towards building up multilayer systems. The molecular “double‐decker” could successfully be prepared. The Pd interlayer, spacing the molecular SAMs, as well as the Pt toplayer exhibit metallic properties, opening the door towards Molecular Electronics in the 3rd dimension.

Op het gebied van de micro‐electronica is er een voortdurende behoefte aan miniaturisatie wat onderzoek noodzaakt naar nieuwe concepten buiten de traditionele silicium gebaseerde techniek. Het gebruik van single molecules of organische dunne filmlagen als actieve componenten in nano‐schaal apparatuur lijken veelbelovende opties. In deze thesis wordt het gebruik van metaal‐ molecuul‐metaal juncties met Self Assembled Monolayers (SAMs) als moleculaire bouwstenen onderzocht. Hier is in het bijzonder gefocust op metaal‐molecuul grensvlak eigenschappen welke van fundamenteel belang zijn voor de transporteigenschappen van de juncties. Een facet wat hier aan bod komt, is de contactweerstand tussen de verschillende lagen. Van verschillende SAMs op goud (Au (111)) en hun metallisatie gebaseerd op de elektrochemische opbouw van de metaal‐molecuul‐metaal juncties zijn de structuur en chemische eigenschappen uitvoerig gekarakteriseerd. De grensvlakken van deze systemen zijn vervolgens onderzocht met foto‐elektron spectroscopische methoden om zo de impact van de chemische interacties op de elektronische structuur van de metaal elektroden te ontrafelen. De nadruk is gelegd op structuren gebaseerd op SAMs van 4‐Mercaptopyridine en 4‐Mercaptofenylpyridine en hun metallisatie met een palladium bedekkende laag. Het kon aangetoond worden dat de interacties op de grensvlakken van de juncties resulteerde in local density of states (LDOS) effecten. Deze effecten in de elektronische structuur van de metaal elektroden hangen niet alleen af van de kop of eindgroep van de moleculen, maar ook van hun moleculaire ketenstructuur. 4‐Mercaptofenol SAMs, als een voorbeeld van SAMs die niet getermineerd zijn met pyridine, kunnen niet gemetalliseerd worden wat hoogstwaarschijnlijk met de hydroxy eindgroep te maken heeft. Daarentegen kunnen SAMs gebaseerd op thiazolen wel gemetalliseerd worden met palladium tot een stabiel complex. Bij deze complexen zijn op de grensvlakken van de juncties eveneens de eerder genoemde LDOS effecten waargenomen, hoewel minder uitgesproken dan bij soortgelijke systemen. Verder werd er gekeken naar thiol‐vrije SAMs van dicyanobenzeen (DCB). Deze DCB moleculen assembleren zich tot een vlak netwerk op het goud oppervlakte. De metallisatie met palladium eilanden bovenop resulteerde in een junctie met een ultrakleine moleculaire tussenruimte. Tot besluit is dit concept verder uitgebreid naar het opbouwen van multilaag systemen, zoals de moleculaire “double‐decker”. Zowel de palladium grensvlak laag, die de moleculaire SAMs scheidt, als de platina toplaag vertonen metallische eigenschappen. Hiermee is een veelbelovende stap gezet in de richting van moleculaire elektronica in drie dimensies