Nanoscale properties of self-assembled and laterally nanostructured surface systems
Las microscopías de campo cercano en general (SPM) y la microscopia de fuerzas (SFM) en particular, se han convertido en una poderosa herramienta en nanotecnología, ya que permiten tanto caracterizar como manipular las superficies de los materiales en la nanoescala. En el presente trabajo de investi...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2014 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/294269 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10803/294269 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Self-assembled and nanostructured systems Scanning probe microscopy (SPM) Scanning force microscopy SFM Ciències Humanes 538.9 |
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Nanoscale properties of self-assembled and laterally nanostructured surface systems Paradinas Aranjuelo, Marcos Self-assembled and nanostructured systems Scanning probe microscopy (SPM) Scanning force microscopy SFM Ciències Humanes 538.9 |
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Ocal García, Carmen Pascual i Gainza, Jordi Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Antropologia Social i de Prehistòria |
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Self-assembled and nanostructured systems Scanning probe microscopy (SPM) Scanning force microscopy SFM Ciències Humanes 538.9 |
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Las microscopías de campo cercano en general (SPM) y la microscopia de fuerzas (SFM) en particular, se han convertido en una poderosa herramienta en nanotecnología, ya que permiten tanto caracterizar como manipular las superficies de los materiales en la nanoescala. En el presente trabajo de investigación se han estudiado las propiedades morfológicas, mecánicas, electrostáticas y de conducción de sistemas autoensamblados y nanoestructurados que incluyen películas delgadas orgánicas y superficies inorgánicas mediante estas técnicas de SPM, SFM y microscopía de efecto túnel (STM), en condiciones de ambiente controlado. Nos centramos principalmente en el uso de técnicas de SFM en modos de operación de contacto, dinámico, microscopía de fuerzas de fricción (FFM), conductividad con SFM (CSFM) y microscopía de sonda Kelvin (KPFM). El manuscrito de la tesis está organizado del siguiente modo: en el capítulo 1 se exponen las motivaciones del trabajo y en el capítulo 2 se hace una pequeña introducción al concepto de autoensamblado y a los sistemas nanoestructurados en los sistemas bajo estudio, películas delgadas orgánicas y superficies inorgánicas. En el capítulo 3 se introducen las distintas técnicas y procedimientos experimentales. Se explican las características generales del SPM, haciendo particular hincapié en los modos de operación de SFM empleados. En el mismo capítulo se explican los procedimientos empleados para el crecimiento de películas delgadas orgánicas, incluyendo los métodos químicos de solución molecular, la litografía “microcontact printing” ( μCP) y la deposición de moléculas orgánicas por haces moleculares (OMBD). En el capítulo 4 investigamos el impacto de la estructura supramolecular de las capas orgánicas autoensambladas (SAMs) en las propiedades morfológicas, electrostáticas y de conducción de superficies funcionalizadas. Con este propósito y para poder realizar un análisis comparativo basado en el uso de referencias in-situ, estudiamos la SAM formada por dos fases supramoleculares de la misma molécula CH3(C6H4)2(CH2)4SH) (BP4) coexistiendo en la superficie Au(111). Mostramos como la organización supramolecular (estructura interna de la película orgánica) es un factor decisivo que determina las propiedades de la superficie y demostramos como la técnica FFM puede emplearse, por ejemplo, para diferenciar dominios moleculares de distinta orientación cristalina. Además, gracias al uso combinado del STM y CSFM en medidas de transporte electrónico, interpretamos la diferencia en la altura aparente medida por una u otra técnica en películas orgánicas inhomogéneas. En el capítulo 5 estudiamos las propiedades de la superficie SrTiO3 (001) nanoestructurada. La nanoestructuración en este caso viene dada por la coexistencia de las dos posibles terminaciones, TiO2 y SrO, lateralmente diferenciadas, que empleamos como plantilla para la adsorción selectiva de SAMs. Demostramos que la molécula de ácido esteárico (con funcionalidad COOH) se adsorbe selectivamente en la superficie TiO2 y estudiamos el impacto de su adsorción sobre las propiedades mecánicas y electrostáticas de la superficie. Así, describimos las principales características de la superficie SrTiO3 (001) nanoestructurada, la adsorción de la SAM en la superficie TiO2 y discutimos el impacto de esta adsorción en las propiedades de la superficie. Finalmente, en el capítulo 6 presentamos dos efectos inducidos por la punta del SFM susceptibles de usarse para la manipulación local y controlada de películas orgánicas. Mostramos el crecimiento de multicapas de pentaceno inducido mecánicamente y un efecto de pelado de capas moleculares al aplicar voltajes entre una punta conductora y materiales moleculares conductores, un efecto a tener en cuenta en el diseño de futuros dispositivos en electrónica molecular. |
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Nanoscale properties of self-assembled and laterally nanostructured surface systemsParadinas Aranjuelo, MarcosSelf-assembled and nanostructured systemsScanning probe microscopy (SPM)Scanning force microscopySFMCiències Humanes538.9Las microscopías de campo cercano en general (SPM) y la microscopia de fuerzas (SFM) en particular, se han convertido en una poderosa herramienta en nanotecnología, ya que permiten tanto caracterizar como manipular las superficies de los materiales en la nanoescala. En el presente trabajo de investigación se han estudiado las propiedades morfológicas, mecánicas, electrostáticas y de conducción de sistemas autoensamblados y nanoestructurados que incluyen películas delgadas orgánicas y superficies inorgánicas mediante estas técnicas de SPM, SFM y microscopía de efecto túnel (STM), en condiciones de ambiente controlado. Nos centramos principalmente en el uso de técnicas de SFM en modos de operación de contacto, dinámico, microscopía de fuerzas de fricción (FFM), conductividad con SFM (CSFM) y microscopía de sonda Kelvin (KPFM). El manuscrito de la tesis está organizado del siguiente modo: en el capítulo 1 se exponen las motivaciones del trabajo y en el capítulo 2 se hace una pequeña introducción al concepto de autoensamblado y a los sistemas nanoestructurados en los sistemas bajo estudio, películas delgadas orgánicas y superficies inorgánicas. En el capítulo 3 se introducen las distintas técnicas y procedimientos experimentales. Se explican las características generales del SPM, haciendo particular hincapié en los modos de operación de SFM empleados. En el mismo capítulo se explican los procedimientos empleados para el crecimiento de películas delgadas orgánicas, incluyendo los métodos químicos de solución molecular, la litografía “microcontact printing” ( μCP) y la deposición de moléculas orgánicas por haces moleculares (OMBD). En el capítulo 4 investigamos el impacto de la estructura supramolecular de las capas orgánicas autoensambladas (SAMs) en las propiedades morfológicas, electrostáticas y de conducción de superficies funcionalizadas. Con este propósito y para poder realizar un análisis comparativo basado en el uso de referencias in-situ, estudiamos la SAM formada por dos fases supramoleculares de la misma molécula CH3(C6H4)2(CH2)4SH) (BP4) coexistiendo en la superficie Au(111). Mostramos como la organización supramolecular (estructura interna de la película orgánica) es un factor decisivo que determina las propiedades de la superficie y demostramos como la técnica FFM puede emplearse, por ejemplo, para diferenciar dominios moleculares de distinta orientación cristalina. Además, gracias al uso combinado del STM y CSFM en medidas de transporte electrónico, interpretamos la diferencia en la altura aparente medida por una u otra técnica en películas orgánicas inhomogéneas. En el capítulo 5 estudiamos las propiedades de la superficie SrTiO3 (001) nanoestructurada. La nanoestructuración en este caso viene dada por la coexistencia de las dos posibles terminaciones, TiO2 y SrO, lateralmente diferenciadas, que empleamos como plantilla para la adsorción selectiva de SAMs. Demostramos que la molécula de ácido esteárico (con funcionalidad COOH) se adsorbe selectivamente en la superficie TiO2 y estudiamos el impacto de su adsorción sobre las propiedades mecánicas y electrostáticas de la superficie. Así, describimos las principales características de la superficie SrTiO3 (001) nanoestructurada, la adsorción de la SAM en la superficie TiO2 y discutimos el impacto de esta adsorción en las propiedades de la superficie. Finalmente, en el capítulo 6 presentamos dos efectos inducidos por la punta del SFM susceptibles de usarse para la manipulación local y controlada de películas orgánicas. Mostramos el crecimiento de multicapas de pentaceno inducido mecánicamente y un efecto de pelado de capas moleculares al aplicar voltajes entre una punta conductora y materiales moleculares conductores, un efecto a tener en cuenta en el diseño de futuros dispositivos en electrónica molecular.The present work lies within the scope of the morphological, mechanical, electrostatic and conductive characterization of self-assembled and nanostructured systems, including organic thin films and inorganic surfaces. Scanning probe microscopy (SPM) techniques, in general, and scanning force microscopy (SFM), in particular has become one of the most powerful tools in nanotechnology because they offer the combined capability of surface properties characterization and manipulation of material surfaces in the nanoscale. In this work we make use of SPM techniques, both SFM and scanning tunneling microscopy (STM), under controlled ambient conditions for the characterization and manipulation of different self-assembled and nanostructured systems. We mainly focus on the use of SFM in contact, dynamic, friction force microscopy (FFM), conductive scanning force microscopy (CSFM) and Kelvin probe force microcopy (KPFM) operating modes for such a purpose. The thesis is organized in the following way: the motivations for this work are presented in chapter 1, and a short introduction to the self-assembled concept and nanostructured systems in organic thin films and inorganic surfaces is done in chapter 2. Chapter 3 introduces the fundamental description of the experimental techniques and procedures used. The main experimental characterization SPM techniques are introduced and a particular attention is devoted to explain the different SFM techniques used. In the same chapter, the growth techniques of organic thin film are explained, including, the solution based methods, the soft lithography μ-contact printing (μCP) and the organic molecular beam deposition (OMBD). In chapter 4 we investigate the influence of the supramolecular structure of self-assembled monolayers (SAMs) into the morphological, mechanical, electrostatic and conductive properties of a functionalized surface. For this purpose we study the CH3(C6H4)2(CH2)4SH) (BP4) molecule SAM on the Au(111) surface presenting two different coexisting supramolecular arrangements. We show how the supramolecular order of the SAM is a decisive factor influencing the nanoscale properties of the surface and also demonstrate how FFM can be employed to differentiate SAM domains with different orientation. In addition, based on electron current measurements, the combined use of STM and CSFM allows us interpreting the differences in apparent height as measured by one or the other technique in non-homogeneous organic layers. In chapter 5 we study the properties of the nanopatterned SrTiO3 (001) surface and explore its use as template for the selective adsorption of SAMs. We find that stearic acid molecules (containing a COOH headgroup) selectively chemisorb on the TiO2 surface. This fact allows us to investigate SAMs adsorption influence on the mechanical and electrostatic properties of this oxide surface. We address the main characteristics of the nanopatterned SrTiO3 (001) surface and we describe the selective adsorption of SAMs on the TiO2 surface, discussing how this influences the local mechanical and electrostatic properties of the surface. Finally, in chapter 6 we present two different tip-induced effects which can be use to manipulate organic thin film materials. We address the mechanical induced growth of pentacene molecular layers, a phenomena that can be used as a local nanolithography approach for nanostructuration. And we also provide a way for peeling a layered organic molecular material when a voltage is applied between the conducting system and the conducting probe of the SFM, which is important to take into account for the design of organic electronic devices.Universitat Autònoma de BarcelonaOcal García, CarmenPascual i Gainza, JordiUniversitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Antropologia Social i de Prehistòria201520152014info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersion219 p.application/pdfapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10803/294269TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)reponame:TDR. Tesis Doctorales en Redinstname:CBUC, CESCAInglésL'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:www.tdx.cat:10803/2942692026-06-14T12:46:07Z |
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