Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Nutzerexperiment für zeitaufgelöste XPS-Messungen aufgebaut, das das neue hemisphärische Photoelektronenspektrometer Argus mit einem schnellen Vielkanal-Detektorsystem kombiniert. Die hohe Brillanz der Beamline P04 an
PETRA III, wo der Aufbau für den Nutzerbetrieb verfügbar ist, ermöglicht dort Integrationszeiten bis hinunter zu 0.1 s pro XPS-Spektrum, was im Vergleich zu vergleichbaren Aufbauten an anderen Synchrotrons bislang einzigartig ist. Das Spektrometer und die in die Vakuumkammer integrierten Probenpräparationsmittel (Ar+ - Sputtern, Probenheizung, Dünnschichtwachstum) wurden während dieser Arbeit intensiv eingesetzt, um in derselben Umgebung Probensysteme auf Oberflächen zu erzeugen und mittels XPS zu analysieren.
Die atomare und elektronische Struktur von Graphen, das auf einige technisch relevante Substrate wie kubischesSiC(001)/Si(001) (achsenparallel und vizinal) erreichen. Transportmessungen bei tiefen Temperaturen zeigen deutlich, dass bei selbstorganisierter, periodischer Nanokristallit-Struktur eine Transportbarriere von mehr als 1.3 eV auftreten kann, wovon bemerkenswerterweise bei 100 K noch etwa 0.4 eV bestehen bleiben. Die Machbarkeit der Präparation dieser elektronischen Nanostrukturen aufgewachsen wurde, wurde so untersucht. Dabei konnte eine Methode zur Bestimmung der Anzahl von Graphen-Monolagen während des Wachstums mittels zeitaufgelöster XPS erfolgreich
eingesetzt werden. Es wurden zahlreiche Proben unterschiedlicher Monolagenzahl erzeugt, deren Homogenität auf einer Skala von mehreren Millimetern durch STM-Messungen mit atomarer Auflösung nachgewiesen wurde. Dabei wurden allerdings ebenfalls eine
groÿskalige Welligkeit der Graphenschicht sowie zahlreiche Domänengrenzen gefunden. Auf SiC(100) entspricht die Ausrichtung jener Domänengrenzen der vorherigen Strukturierung der Oberfläche durch Kohlenstoff-Nanodrähte auf der c(2x2)-Rekonstruktion des Substrats. Darüber hinaus konnte auf vizinalem SiC dreilagiges Graphen in der Bernal-Stapelfolge synthetisiert werden, wobei eine selbstorganisierte, periodische Ausrichtung der Korngrenzen von Nano-Kristalliten beobachtet wird. Hier wird eine Methode vorgeschlagen, in Bernal-gestapeltem, dreilagigem Graphen durch Öffnen einer Transportbarriere ein Strom-Tastverhältnis von 10^(4) zu mit groÿem Strom-Tastverhältnis wird durch die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigt.
Ein weiterer Themenbereich dieser Arbeit betrifft die Morphologie und die elektronische Struktur von hybriden organisch-inorganischen Systemen. Die untersuchten Systeme bestehen aus metallischen Nanopartikeln (Al und Au), die in eine halbleitende, organische Matrix aus Cu-Phtalocyanin (FxCuPc, x=0, 4) eingebettet werden. Dies wird erreicht durch das Bedampfen der Matrix mit den entsprechenden Einzelatomen, die nach Eindiffundieren
in dieselbe selbstorganisiert Nanopartikel mit einer schmalen Gröÿenverteilung bilden. Die erzielte Partikelgröÿe hängt dabei von der Menge aufgedampften Materials ab. Im Fall von Aluminium konnte ein Ladungstransfer an die Matrix beobachtet werden,
und auch die Position eindiffundierter Al-Ionen im Kristallgitter konnte bestimmt werden. Für Gold wurde mithilfe hochauflösender TEM-Messungen die Lage einzelner Nanopartikel und deren Wachstum im Substrat bestimmt. Durch PES-Messungen konnte in
diesem System keine chemische Reaktion zwischen Matrix und Metall nachgewiesen werden, allerdings wird unter Goldeintrag eine starke Bandverbiegung aufwärts beobachtet. Beim Nanopartikel-Wachstum wird eine Sättigung beobachtet, der bei weiterer Bedampfung die Entstehung einer metallischen Schicht auf dem Substrat folgt.
In the framework of this thesis, a new end-station dedicated for dynamic-XPS measurements is created. The end-station is based on a new hemispherical electron spectrometer Argus which is equipped with a high speed detection system. In combination with the high brilliance XUV beamline P04 at PETRA III it provides users a unique tool for fast (down to 0.1 s/spectrum) and detailed investigations compared to existing XPS devices at other synchrotrons. This end-station is integrated into beamline P04 and available for users. During this research work it was widely used for fabrication of samples (Ar+ sputtering, sample heating, film growth etc) and investigation of their properties by means of dynamic-XPS. Using several methods, the atomic and electronic structure of graphene grown on technically relevant substrates of cubic-SiC(001)/Si(001) ('on-axis' and 'vicinal') was investigated. We have shown a way to control the number of graphene layers by real-time photoemission measurements during preparation procedure. Using this approach, we have synthesized several samples with different numbers of graphene layers. Consequent atomically resolved STM studies prove the synthesis of a uniform, millimeter-scale graphene overlayer. At the same time, the graphene overlayer possesses rippled morphology and consists of large amount of domain boundaries. Directions of domain boundaries coincide with the directions of carbon atomic chains which were fabricated prior to graphene synthesis on the SiC(001)-c(2x2) surface reconstruction. Further, using vicinal-SiC, we synthesized Bernal-stacked trilayer graphene with self-aligned periodic nanodomain boundaries. We proposed a simple method to achieve a current On-Off ratio of 10^(4) by opening a transport gap in Bernal-stacked trilayer graphene. Our low-temperature transport measurements clearly demonstrate that the self-aligned periodic NBs can induce a charge transport gap greater than 1.3 eV. More remarkably, the transport gap of ~0.4 eV persists even at 100 K. Our results show the feasibility of creating new electronic nanostructures with high on-off current ratios using graphene on cubic-SiC. The evolution of the morphology and the electronic structure of the hybrid organicinorganic systems were studied. Such systems are composed of metal nanoparticles (Al and Au) distributed in an organic semiconductor matrix of copper phthalocyanine (FxCuPc, x=0, 4). The metal atoms deposited onto the FxCuPc surface diffuse into an organic matrix and self-assemble to nanoparticles in a well-defined manner. The narrow size distribution depends on the amount of deposited metal. We find clear evidence of a charge transfer from Al to CuPc and we have been able to determine the lattice sites where Al ions sit. In case of gold nanoparticles, we were able to observe the atomic planes of single nanoparticle and nanoparticles coalescence processes using high-resolution TEM. Photoelectron spectroscopy did not reveal any detectable chemical reaction between atoms of gold and organic film. However, strong upward band bending induced by gold nanoparticles in the organic film takes place. Finally, at high coverage we observed an formation of the metallic overlayer on the organic film.