Preparation and interpretation of Kelvin probe force microscopy experiments on bulk insulators

Molecular electronics is a promising field in nanotechnology. It is based in the possibility of building up miniaturized electronic devices using single molecules or molecular structures with specific functions, such as switches, transistors or resistors. However, before we can build up these devices, we need to understand all different aspects that influence the formation of different molecular structures on surfaces. Molecular self-assembly is the field of study of the different structures that molecules can form by interacting with each other. For molecular electronics, it is necessary to have these molecular structures arranged on surfaces. Furthermore, we need to build up molecular structures which are electronically decoupled from the substrate. Because of this, we work on insulating substrates. For studying these molecular structures, we use atomic force microscopy (AFM). This technique allows to perform local studies with nanometre resolution and does not need conducting substrates, as scanning tunnelling microscopy (STM) does. One of the interactions playing a crucial role in molecular self-assembly is the electrostatic interaction. Investigating the electrostatic interaction implies studying the charge distribution. Kelvin probe force microscopy (KPFM) is a variation of AFM that allows mapping the charge distribution on a sample surface. Many studies have been performed using this technique on semiconductors, molecular structures on bulk substrates or single molecules. Nevertheless, there was not a unifying theory that explains the KPFM signal for all types of samples. Recently, new theory for explaining KPFM was developed. The theory predicts that if point charges are located between the metallic tip and metallic sample or sample holder, the KPFM signal depends on the tip-sample distance. It also states that all point charges located between metallic tip and sample holder contribute to the KPFM signal. The direct implication is that, if there are point charges localized on the tip apex, these charges will also contribute to the KPFM signal. Thus, it is necessary to develop a procedure to obtain AFM tips free of localized point charges. Considering this new theory, in this thesis a systematic study of KPFM experiments on insulators in ultra-high vacuum (UHV) is presented. It is demonstrated that all point charges present between tip and sample holder contribute to the KPFM signal. The procedures to clean the metal-coated AFM tips and to test their contamination state are described in detail. Finally, experiments performed on calcite (10.4) and on 2,5-dihydroxybenzoic acid (2,5-DHBA) deposited on calcite using these prepared metal-coated AFM tips are presented. In summary, this thesis provides experimental evidence of the contribution of all point charges present between tip apex and metallic counter electrode to the KPFM signal. It presents a procedure to clean the metal-coated AFM tips for KPFM experiments and to test the tips before and after experiments on molecules deposited on bulk insulators. It demonstrates that obtaining reliable KPFM data sets in experiments on bulk insulators using these clean metal-coated AFM tips is possible.Die molekulare Elektronik ist ein vielversprechendes Feld in der Nanotechnologie. Es basiert auf der Möglichkeit miniaturisierte elektronische Bauelemente aus einzelnen Molekülen oder molekularen Strukturen mit spezifischen Funktionen wie Schalter, Transistoren oder Widerständen herzustellen. Bevor diese Bauelemente verwirklicht werden können, müssen wir jedoch alle verschiedenen Aspekte verstehen, welche die Bildung unterschiedlicher molekularer Strukturen auf Oberflächen beeinflussen. Die molekulare Selbstorganisation ist das Gebiet der Untersuchung der verschiedenen Strukturen, die Moleküle durch Wechselwirkung miteinander bilden können. Für die molekulare Elektronik müssen diese molekularen Strukturen auf der Oberflächen geordnet sein. Des Weiteren müssen die molekularen Strukturen vom Substrat elektronisch entkoppelt sein. Aus diesem Grund benutzen wir nichtleitende Substrate. Zur Untersuchung dieser Molekülstrukturen verwenden wir die Rasterkraftmikroskopie (AFM). Diese Technik ermöglicht lokale Untersuchungen mit Nanometerauflösung und benötigt keine leitfähigen Substrate, wie es die Rastertunnelmikroskopie (STM) tut. Eine der Wechselwirkungen, die bei der molekularen Selbstorganisation eine entscheidende Rolle spielt, ist die elektrostatische Wechselwirkung. Die Untersuchung der elektrostatischen Wechselwirkung erfordert eine Untersuchung der Ladungsverteilung. Kelvinsonden-Kraftmikroskopie (KPFM) ist eine Variation von AFM, welche die Abbildung der Ladungsverteilung auf einer Probenoberfläche ermöglicht. Viele Studien wurden mit dieser Technik an Halbleitern, molekularen Strukturen auf Bulksubstraten oder einzelnen Molekülen durchgeführt. Dennoch gab es keine einheitliche Theorie, die das KPFM-Signal für alle Arten von Proben erklärt. Kürzlich wurde eine neue Theorie zur Erklärung von KPFM entwickelt. Die Theorie sagt voraus, dass, wenn Punktladungen zwischen der metallischen Spitze und der metallischen Probe oder dem Probenhalter lokalisiert sind, das KPFM-Signal von der Spitze-Probe-Entfernung abhängt. Die Theorie besagt auch, dass alle Punktladungen, die sich zwischen der metallischen Spitze und dem Probenhalter befinden, zum KPFM-Signal beitragen. Die direkte Implikation ist, dass, wenn Punktladungen an dem Spitzenapex lokalisiert sind, diese Ladungen auch zum KPFM-Signal beitragen. Daher ist es notwendig ein Verfahren zu entwickeln, um AFM-Spitzen frei von lokalisierten Punktladungen zu erhalten. Unter Berücksichtigung dieser neuen Theorie wird in dieser Arbeit eine systematische Untersuchung von KPFM-Experimenten an Isolatoren im Ultrahochvakuum (UHV) vorgestellt. Es wird gezeigt, dass alle Punktladungen, die zwischen der Spitze und dem Probenhalter lokalisiert sind, zum KPFM-Signal beitragen. Die Verfahren zum Reinigen der metallbeschichteten AFM-Spitzen und zum Testen ihres Verunreinigungszustandes werden im Detail beschrieben. Abschließend werden Experimente an Calcit (10.4) und an 2,5-Dihydroxybenzoesäure (2,5-DHBA) auf Calcit mit nach diesem Verfahren präparierten metallbeschichteten AFM Spitzen vorgestellt. Zusammenfassend liefert diese Arbeit einen experimentellen Beweis für den Beitrag aller Punktladungen, zwischen dem Spitzenapex und der metallischen Gegenelektrode, zum KPFM-Signal. Es wird ein Verfahren vorgestellt, um die metallbeschichteten AFM-Spitzen für KPFM-Experimente zu reinigen und die Spitzen vor und nach den Experimenten auf Bulkisolatoren aufgebrachten Molekülen zu testen. Es wird gezeigt, dass durch die Benutzung von sauberen metallbeschichteten AFM-Spitzen der Erhalt von zuverlässigen KPFM-Datensätze in Experimenten an Bulkisolatoren möglich ist