Growth and structure of the organic molecule PTCDA on Ag(111)

Abstract

Thin 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA) films with the average thickness d between 50 and 200 Å, and the deposition rate F between 1 and 10 Å/min, have been deposited by molecular beam epitaxy on Ag(111). The films have been studied by atomic force microscopy and X-ray diffraction. It has been found that their structural and morphological properties vary significantly with the growth conditions. A transition from relatively smooth films to island growth on top of 2 wetting monolayers has been observed as a function of the growth temperature. The morphology change takes place at around 350 K and is accompanied by a change in the epitaxial relationship between film and substrate. The growth mode of the initial monolayers has been studied by in situ and in real-time X-ray diffraction as a function of the growth temperature. PTCDA grows in Stransky-Krastanov growth mode (layer-by-layer growth followed by islanding on top of the wetting layer). The transition between layer by layer growth and islanding is smeared out for low growth temperatures. This experimental observation has been reproduced by kinetic Monte Carlo simulations. While the PTCDA films with island morphology seem to be thermally stable, the relatively smooth PTCDA films grown at temperatures below 350 K show partial dewetting if they are annealed at temperatures higher than 350 K. Many aspects of the system PTCDA on Ag(111), including the epitaxial and the the morphological transition as a function or the growth temperature and the partial dewetting of smooth films upon annealing, seem to be related to the growth of fcc(111) on bcc(110) metal-on-metal epitaxial thin films.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Struktur und dem Wachstum von dünnen Filmen aus 3,4,9,10-Perylen-Tetracarboxyl-Dianhydrid (PTCDA), einem organischen molekularen Halbleiter. Schichten mit mittleren Dicken d zwischen 50 und 200 Å und Wachstumsraten zwischen 1 und 10 Å/min wurden mittels Molekularstrahlepitaxie unter UHV-Bedingungen hergestellt und mittels Rasterkraftmikroskopie und Röntgenstreuexperimenten untersucht. Die Struktur und die Morphologie der Schichten hängt stark von den Wachstumsbedingungen ab. Als Funktion der Wachstumstemperature wurde ein Übergang von relativ glatten Schichten zu Inseln auf einer 2 Monolagen dicken benetzenden Schicht beobachtet. Die Änderung der Morphologie bei etwa 350 K ist von einer Änderung der epitaktischen Relation zwischen Substrat und Film begleitet. In situ Röntgenstreuexperimente während des Wachstums der ersten Monolagen eines PTCDA-Films haben gezeigt, daß PTCDA im Stransky-Krastanov Wachstumsmodus wächst (Inselwachstum auf einer benetzenden Schicht). Der Übergang zwischen dem Lage-für-Lage Wachstum der benetzenden Schicht und dem Inselwachstum schmiert mit sinkender Wachstumstemperatur mehr und mehr aus. Diese Beobachtung ist mit kinetischen Monte Carlo Simulationen reproduziert worden. PTCDA-Filme mit Inselmorphologie scheinen thermisch stabil zu sein, während die relativ glatten Filme, die bei Temperaturen unter 350 K hergestellt wurden, partiell entnetzen, wenn sie auf mehr als 350 K erhitzt werden. Es hat sich herausgestellt, daß viele der Eigenschaften des organisch/inorganischen Systems PTCDA/Ag(111), z.B. die Änderung der Morphologie und der Struktur als Funktion der Wachstumstemperatur, aber auch das partielle Entnetzen der relativ glatten Schichten, Ähnlichkeiten zu den Eigenschaften des rein metallischen epitaktischen Systems fcc(111)/bcc(110) zeigen.