Spectroscopic line shapes of electronic and vibrational excitations of single-atom and single-molecule junctions

Meierott, Stefan

The Kondo effect and inelastic electron tunneling are important physical effects that give rise to Fano-like line shapes in the current-voltage characteristics through single adatoms and admolecules. In this work an ultra-high vacuum low-temperature scanning tunneling microscope is optimized to make these features accessible in scanning tunneling spectroscopy. Following this, experiments are conducted. First, the single-Co Kondo effect on Au(110) is examined. The amplitude of the peak-like Abrikosov-Suhl resonance is found anisotropically distributed across obliquely adsorbed adatoms. The anisotropic evolution is traced to the varying tip-substrate distance across the adatom. Additionally, fitting of peaked Fano line-shapes is discussed. Characteristic properties of the Fano asymmetry parameter are extracted from experimental evidence and from simulations. An improved parameterization is suggested in order to reduce the parameter space for nonlinear optimization. An angular representation of the asymmetry parameter gives rise to the estimation of uncertainties using linear error propagation. Second, inelastic tunneling spectroscopy at C60 molecules adsorbed to Pb surfaces is reported. By deliberately functionalizing the tunneling tip with single C60 molecules the electronic structure is tuned. Coincidently, vibrational line shapes are affected. The varying electronic structure at different adsorption sites on the Pb(111) surface affects vibrational line shapes likewise. Thus, a clear-cut correlation between vibrational line shapes and the electronic structure is derived. These findings represent an experimental proof to theoretical predictions about the contribution of resonant processes in inelastic tunneling spectroscopy. Further, electronic transport through C60 on Pb(111) is examined for varying tip-molecule distance. The signature of the lowest unoccupied molecular orbital is found to shift towards the Fermi energy with decreasing tip-molecule distance. Vibrational line shapes are governed by the relative molecule position inside the junction, rather than the varying electronic structure. These observations stress the importance of the junction symmetry in inelastic electron tunneling.

Der Kondo-Effekt und inelastisches Elektronentunneln sind bedeutende Effekte in der Physik des Elektronentransports durch einzelne Atome und Moleküle. In den Ableitungen der Strom-Spannungs-Kennlinie treten charakteristische Fano-artige Linienformen auf. Um solche Signaturen zugänglich zu machen, wird in dieser Arbeit ein Ultrahochvakuum-Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop optimiert. Anschließend wird der Kondo-Effekt an Co-Atomen auf der Au(110)-Oberfläche behandelt. Im Spektrum des differentiellen Leitwerts einzelner Co-Atome tritt eine Peak-förmige Signatur der Abrikosov-Suhl-Resonanz auf. An Co-Atomen auf Facettenplätzen der Au(110)-(1x2) rekonstruierten Oberfläche breitet sich diese Resonanz anisotrop aus. Die Anisotropie wird auf Variationen im Spitze-Substrat-Abstand zurückgeführt. Weiterhin wird die Parameter-Schätzung verrauschter Fano-Linienformen anhand experimenteller und simulierter Daten diskutiert. Zur Linienanpassung nach der Methode der kleinsten Quadrate wird die Verwendung einer günstigeren Parametrisierung der Fano-Funktion nahegelegt. Zusätzlich ermöglicht eine Winkeldarstellung des Asymmetrie-Para-meters die Schätzung der Unsicherheit nach Gauß'scher Fehlerfortpflanzung. Der darauf folgende Teil der Arbeit widmet sich Tunnelspektren von C60-Molekülen auf Pb-Oberflächen. Mittels gezielter Funktionalisierung der Tunnelspitze mit einzelnen C60-Molekülen wird die elektronische Struktur eingestellt. Gleichzeitig ändern sich die Linienformen von Vibrationssignaturen. Ähnlichen Einfluss auf die Linienformen hat die elektronische Struktur unterschiedlich adsorbierter Moleküle auf der Pb(111) Oberfläche. Ein quantitativer Zusammenhang zwischen elektronischer Struktur und Vibrationssignaturen wird ermittelt. Die Ergebnisse sind ein experimenteller Nachweis theoretischer Vorhersagen zu resonanten Tunnelprozessen in inelastischem Elektronentunneln. Im Anschluss wird der elektronische Transport abhängig vom Probe-Spitze-Abstand untersucht. Bei Annäherung der Tunnelspitze verschiebt die Signatur des niedrigsten unbesetzten Molekülorbitals zu niedrigeren Energien. Vibrationssignaturen werden vor allem durch die relative Position des Moleküls zwischen den Elektroden bestimmt. Diese Beobachtungen untermauern die Bedeutung der Kontaktsymmetrie bei den inelastischen Elektronentunneln.

Zitieren

Zitierform:

Meierott, Stefan: Spectroscopic line shapes of electronic and vibrational excitations of single-atom and single-molecule junctions. Ilmenau 2017.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export