Structural and electronic properties of the ZNTPP film deposited on the FE(001)-P(1X1)O substrate

Among the most promising materials in different fields of research there are organic semiconductors, a new class of materials which are expected to acquire more and more importance in the next years and will probably replace part of the actual inorganic semiconductors, because of their wide availability on Earth and limited cost. Possible applications are sensors, laser diodes, solar cells and optical modulators, in which the organic molecules play the role of electron transport medium or of active materials for light amplification or modulation. The semiconductive behavior comes from the assembling of organic molecules by means of π bonds in a specific configuration, which gives rise to a band structure analogous to inorganic semiconductors. Important molecules showing this behavior are porphyrins, a wide class of organic compounds characterized by a heterocyclic skeleton which can be compatible with different peripheral radical groups or inner metallic ions. By changing ions type and/or the functional groups, the molecule reactivity can be strongly influenced. Also the type of substrate can affect the system properties, because the molecule-substrate interaction can perturb the properties of hypothetical device. Possible systems to reduce the substrate interaction with the molecules could be thin metal oxide layers, in which an ordered stratum of oxygen atoms passivates the buried metal substrate, decoupling the deposited molecules from the metal bulk. The purpose of this thesis is to understand the properties of the system consisting of a prototypical porphyrin molecule (namely, Zn-tetra-phenyl-(meso) porphyrin, or ZnTPP) grown on Fe(001)-p(1x1)O, a well characterized oxygen-passivated iron surface which can be considered as a prototype for thin oxides. We will show that this thin metal oxide layer helps a partial porphyrin-substrate decoupling, giving to the ZnTPP molecules enough mobility to arrange in an ordered layer but preserving the main electronic properties of the organic compound. This has been demonstrated by means of structural analysis (Low Energy Electron Diffraction) and electron spectroscopy techniques (XPS and UPS/IPES). In particular, XPS has been used to evaluate the molecule interaction with the substrate, while UPS and IPES show the characteristic states of the molecule. The results are then compared with a thick ZnTPP film grown on Si(111)-(7x7) surface (already studied in literature) to emphasize the role of the oxide layer and highlight the differences with a more reactive surface.

Tra i materiali più promettenti in diversi campi di ricerca ci sono i semiconduttori organici, una nuova classe di materiali che si prevede otterranno sempre più importanza negli anni a venire e che sostituiranno in parte alcuni degli attuali semiconduttori inorganici grazie alla loro larga diffusione in natura e al costo contenuto. Possibili applicazioni sono sensori, diodi laser, celle solari e modulatori ottici, nei quali le molecole organiche avranno il ruolo di mediatori nel trasporto elettronico o di mezzi attivi per l’amplificazione o la modulazione di luce. Il comportamento semiconduttivo nasce dall’assemblaggio di queste molecole per mezzo di legami π in una ben specifica configurazione, che dà luogo ad una struttura a bande analoga a quelle dei semiconduttori inorganici. Importanti molecole che mostrano questo comportamento sono ad esempio le porfirine, una grande classe di composti organici caratterizzati da una struttura eterociclica compatibile con diversi gruppi radicali periferici o ioni metallici centrali. Cambiando il tipo di ione e/o i gruppi periferici, è possibile influenzare profondamente la reattività della molecola. Anche la scelta del substrato è determinante per le proprietà del sistema, in quanto l’interazione molecola-substrato può perturbare le proprietà del dispositivo. Una possibile soluzione per ridurre questa interazione è quella di ricorrere ad ossidi sottili, sistemi nei quali uno strato ordinato di atomi di ossigeno ha la funzione di passivare il metallo sottostante, disaccoppiando dal substrato le molecole depositate. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare le principali proprietà del sistema costituito da una particolare porfirina (nello specifico, Zinco-tetrafenilporfirina, ZnTPP) cresciuta sulla ben nota superficie Fe(001)-p(1x1)O. Si mostrerà come questo ossido metallico sottile aiuti il disaccoppiamento della porfirina dal substrato, tanto da fornire alle molecole la mobilità necessaria per disporsi in uno strato superficiale ordinato. La caratterizzazione del campione si è avvalsa sia di tecniche di analisi strutturale (diffrazione di elettroni a bassa energia) sia di tecniche di analisi spettroscopica (XPS e UPS/IPES). Nello specifico, la tecnica XPS è stata usata per valutare l’interazione molecola-substrato, mentre UPS e IPES hanno permesso di valutare gli stati elettronici caratteristici della molecola. I risultati sono quindi stati confrontati con quelli di un film spesso di ZnTPP cresciuto sulla superficie Si(111)-(7x7) (già studiato in letteratura) per sottolineare il ruolo dell’ossigeno superficiale e le differenze con una superficie più reattiva.