Nanoscale properties of self-assembled and laterally nanostructured surface systems

Resumen

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” ( ?CP) 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.