Fundamentale Eigenschaften von Atomen und Molekülen auf Oberflächen

In this thesis, two different projects are presented that concentrate on complementary aspects of nanoscopic systems. Not only "conventional" scanning tunneling microscopy (STM) is utilized to study the fundamental properties of atoms and molecules, but in order to detect the fluctuations of the tunneling current, a high-frequency amplifier setup is employed. In the first part, Fe-5,10,15,20-tetra-pyridyl-porphyrin molecules were investigated on a Au(111) surface. Due to the flexibility of this molecule, several different islands of the Fe-TPyP molecule self-assemble on the surface. By means of non-contact atomic force microscopy (nc-AFM), we could show that the molecules in the different arrangements also exhibit differences in the intramolecular distortions. Moreover, using scanning tunneling spectroscopy (STS), the magnetic properties of the molecules in the different structures were compared. We showed that the intramolecular distortions influence the ligand field that is acting on the central Fe atom, such that transverse magnetic anisotropy is introduced in the system. Eventually, a spin crossover was observable, which might be ascribed to large intramolecular distortions. Furthermore, an exceptionally large number of additional inelastic excitations were observable in the differential conductance spectra of the Fe-TPyP molecules between 20meV and 150meV in some of the molecular arrangements, whereas no signatures of these inelastic excitations were observable on others. By means of high-resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS), we could identify these features as excitations of molecular vibrations. By comparing the energy position of the corresponding electronic orbitals that are involved in the excitation process, the differences in the intensity of the vibrations between the different structures could be explained in a simple co-tunneling picture. In the second part of this thesis, the optimization and testing of a complementary measurement technique is described. Here, not the DC current but the current fluctuations, i.e., the shot noise, allow to gain insight into the transport properties of a system. Due to electron correlations, the shot noise of a system contains information about the effective charge e* of the charge carriers, such that fractional charges, Cooper-pair tunneling and spin-polarized transport can be identified from the current fluctuations. As shot-noise measurements require the signal detection at high frequencies, in the order of several hundreds of kHz, a high-frequency amplifier setup has been included into the STM system. A preamplifier is mounted directly at the STM head, where it is working at cryogenic temperatures. A second amplifier is then installed outside the vacuum chamber to further enhance the signal. The characteristics of these amplifiers and the main steps towards achieving a working shot-noise setup are explained in detail in this thesis. Moreover, test measurements were performed on Au adatoms that were created on the Au(111) surface by tip identation. Comparison of our experimental shot noise data with literature shows that the amplifier setup is fully functional and exhibits the necessary sensitivity to detect the tiny current fluctuations. Finally, an outlook on first measurements of the shot noise of cobalt adatoms on the Au(111) surface will be given. As single Co atoms on Au(111) have shown to exhibit distinct magnetic properties depending on their adsorption site, it is an interesting system for shot-noise measurements.In der vorliegenden Dissertation werden zwei komplementäre Methoden der Rastertunnelmikroskopie verwendet um die Eigenschaften von nanoskopischen Systemen zu untersuchen. Der erste Teil befasst sich mit den Eigenschaften von Fe-5,10,15,20-Tetra-Pyridyl-Porphyrin Molekülen auf einer Au(111) Oberfläche. Aufgrund der Flexibilität der Fe-TPyP Moleküle bilden sich verschiedene Adsorptionsstrukturen aus. Mittels Rasterkraftmikroskopie konnten wir zeigen, dass die Moleküle in den verschiedenen Strukturen Unterschiede in ihrer intramolekularen Verzerrung aufweisen. Jene Verzerrungen beeinflussen das Ligandenfeld, welches auf das zentrale Eisenatom wirkt. Daher zeigten die Moleküle in den verschiedenen Anordnungen auch unterschiedliche inelastische Anregungen, welche auf die Unterschiede in der magnetischen Anisotropie zurückzuführen sind. Mittels Rastertunnelspektroskopie wurde bei einigen Molekülen sogar eine Änderung des Spinzustandes beobachtet, der eventuell durch eine besonders starke Verzerrung erklärt werden kann. Desweiteren zeigen Moleküle in einigen Strukturen eine ungewöhnlich große Zahl an zusätzlichen inelastischen Anregungen im Bereich von 20meV bis 150meV. Mittels hochaufgelöster Elektronenenergieverlustspektroskopie (HREELS) konnten jene Stufen als Anregung von molekularen Vibrationen identifiziert werden. Durch Vergleich der energetischen Lage jener Molekülorbitale, die bei der Anregung der Vibrationen involviert sind, konnten die unterschiedlichen Intensitäten der Vibrationen in den Spektren durch die Wahrscheinlichkeit des Co-tunnels erklärt werden. Im zweiten Teil der Arbeit werden die entscheidenden Schritte der Optimierung einer komplementären Messmethode beschrieben, bei der nicht der mittlere Strom, sondern das Stromrauschen betrachtet werden. Das sogenannte Schrotrauschen entsteht dadurch, dass der Strom aus einzelnen Ladungsträgern besteht. Aufgrund der unterschiedlichen Korrelationen dieser Ladungsträger in einem System lässt sich aus dem Schrotrauschen eine Aussage über die effektive Ladung e* der Ladungsträger treffen, sodass Effekte wie das Cooper-Paar Tunneln in Supraleitern oder spin-polarisierter Transport nachgewiesen werden können. Da die Detektion des Schrotrauschens Messungen bei hohen Frequenzen im Bereich einiger Hundert kHz bedarf, wurden zwei spezielle Hochfrequenzverstärker in das Rastertunnelmikroskop (STM) integriert. Der erste Verstärker befindet sich dabei direkt am Kopf des STM und arbeitet bei kryogenen Temperaturen. Ein zweiter Nachverstärker befindet sich außerhalb der Vakuumkammer und sorgt für eine weitere Verstärkung. Die genauen Charakteristika beider Verstärker und die Hauptarbeitsschritte zum Erreichen eines funktionierenden Aufbaus werden im zweiten Kapitel beschrieben. Um den Aufbau auf seine Funktionsfähigkeit zu überprüfen wurden Testmessungen auf einzelnen Au Atomen auf einer Au(111) Oberfläche durchgeführt. Ein Vergleich mit der Literatur zeigte hier, das der Verstärkeraufbau in der Lage ist das Schrotrauschen einzelner atomarer Kontakte zu messen, und über die benötigte Sensitivität verfügt. Zuletzt wird ein Ausblick auf erste Messungen des Schrotrauschens von Cobalt Atomen auf Au(111) gegeben. In früheren Messungen von Cobalt Atomen wurde eine Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften vom Adsorptionsplatz des Cobalt Atomes festgestellt. Mittels Messungen des Schrotrauschen wollen wir daher herausfinden, ob sich diese Unterschiede auch in den Rauschspektren nachweisen lassen