Authors:	Nimmrich, Markus Franz Willy
Title:	Atomic-scale characterization of diamond surfaces and fullerene self-assembly
Online publication date:	31-Jul-2012
Year of first publication:	2012
Language:	english
Abstract:	In this thesis, elemental research towards the implantation of a diamond-based molecular quantum computer is presented. The approach followed requires linear alignment of endohedral fullerenes on the diamond C(100) surface in the vicinity of subsurface NV-centers. From this, four fundamental experimental challenges arise: 1) The well-controlled deposition of endohedral fullerenes on a diamond surface. 2) The creation of NV-centers in diamond close to the surface. 3) Preparation and characterization of atomically-flat diamondsurfaces. 4) Assembly of linear chains of endohedral fullerenes. First steps to overcome all these challenges were taken in the framework of this thesis. Therefore, a so-called “pulse injection” technique was implemented and tested in a UHV chamber that was custom-designed for this and further tasks. Pulse injection in principle allows for the deposition of molecules from solution onto a substrate and can therefore be used to deposit molecular species that are not stable to sublimation under UHV conditions, such as the endohedral fullerenes needed for a quantum register. Regarding the targeted creation of NV-centers, FIB experiments were carried out in cooperation with the group of Prof. Schmidt-Kaler (AG Quantum, Physics Department, Johannes Gutenberg-Universität Mainz). As an entry into this challenging task, argon cations were implanted into (111) surface-oriented CaF2 crystals. The resulting implantation spots on the surface were imaged and characterized using AFM. In this context, general relations between the impact of the ions on the surface and their valency or kinetic energy, respectively, could be established. The main part of this thesis, however, is constituted by NCAFM studies on both, bare and hydrogen-terminated diamond C(100) surfaces. In cooperation with the group of Prof. Dujardin (Molecular Nanoscience Group, ISMO, Université de Paris XI), clean and atomically-flat diamond surfaces were prepared by exposure of the substrate to a microwave hydrogen plasma. Subsequently, both surface modifications were imaged in high resolution with NC-AFM. In the process, both hydrogen atoms in the unit cell of the hydrogenated surface were resolved individually, which was not achieved in previous STM studies of this surface. The NC-AFM images also reveal, for the first time, atomic-resolution contrast on the clean, insulating diamond surface and provide real-space experimental evidence for a (2×1) surface reconstruction. With regard to the quantum computing concept, high-resolution NC-AFM imaging was also used to study the adsorption and self-assembly potential of two different kinds of fullerenes (C60 and C60F48) on aforementioned diamond surfaces. In case of the hydrogenated surface, particular attention was paid to the influence of charge transfer doping on the fullerene-substrate interaction and the morphology emerging from self-assembly. Finally, self-assembled C60 islands on the hydrogen-terminated diamond surface were subject to active manipulation by an NC-AFM tip. Two different kinds of tip-induced island growth modes have been induced and were presented. In conclusion, the results obtained provide fundamental informations mandatory for the realization of a molecular quantum computer. In the process it was shown that NC-AFM is, under proper circumstances, a very capable tool for imaging diamond surfaces with highest resolution, surpassing even what has been achieved with STM up to now. Particular attention was paid to the influence of transfer doping on the morphology of fullerenes on the hydrogenated diamond surface, revealing new possibilities for tailoring the self-assembly of molecules that have a high electron affinity. In dieser Doktorarbeit wird das Ziel verfolgt, Grundlagen für die Realisierung eines molekularen Quantencomputers auf Diamantbasis zu schaffen. Der experimentelle Ansatz sieht hierbei vor, Spinketten aus endohedralen Fullerenen auf der Diamant (100) Oberfläche oberhalb oberflächennaher NV-Zentren zu platzieren. Aus diesem Ansatz ergeben sich vier fundamentale Herausforderungen: 1) Die kontrollierte Deposition endohedraler Fullerene auf die Diamantoberfläche. 2) Die Erzeugung oberflächennaher NV-Zentren im Diamant. 3) Die Präparation und Charakterisierung atomar flacher Diamantoberflächen. 4) Die Aufreihung der Fullerene zu linearen Ketten. Erste Schritte zur Überwindung dieser Herausforderungen wurden im Rahmen dieser Arbeit unternommen. Da endohedrale Fullerene thermisch relativ instabil sind, können sie nicht durch Sublimation unter Ultrahochvakuumbedingungen auf die Diamantoberfläche aufgebracht werden. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine alternative Moleküldepositionsmethode implemeniert, die sog. „pulse injection“ Methode. Um die Methode zu evaluieren, wurde speziell für diesen und darüber hinaus gehende Zwecke eine Ultrahochvakuumkammer entworfen. Bezüglich der zielgenauen Erzeugung oberflächennaher NV-Zentren wurden in Kooperation mit der Gruppe von Prof. Schmidt-Kaler (AG Quantum, Institut für Physik, Johannes Gutenberg-Universität Mainz) Experimente mit fokussierte Ionenstrahlen durchgeführt. Als erster Schritt wurden Argonkationen in die (111) Oberfläche von CaF2-Kristallen implantiert und die Veränderung der Oberflächenstruktur rasterkraftmikroskopisch untersucht. Aus diesen Untersuchungen konnten Beziehungen zwischen der kinetischen Energie bzw. der Valenz der Ionen und ihrem Einfluss auf die Oberflächenstruktur hergestellt werden. Der Hauptteil der Arbeit widmet sich allerdings der Untersuchung reiner und wasserstoffpassivierter Diamant (100) Oberflächen mit Hilfe der Nichtkontaktrasterkraftmikroskopie (NC-AFM). In Kooperation mit der Gruppe von Prof. Dujardin (ISMO, Université de Paris XI) wurden mit Hilfe einer Wasserstoffplasmaanlage hochreine, atomar flache Diamantoberflächen erzeugt. Diese wurden anschließend hochaufgelöst mit Hilfe der NC-AFM abgebildet. Dabei gelang es, beide Wasserstoffatome einer Einheitszelle der wasserstoffpassivierten Oberfläche abzubilden, was in vorhergegangenen rastertunnelmikroskopischen Untersuchungen nicht erreicht worden war. Die NC-AFM Bilder enthüllen außerdem zum ersten Mal die (100) Oberfläche von hochreinem, nicht leitendem Diamant mit atomarem Kontrast. Im Hinblick auf die Umsetzung des Quantencomputerkonzepts wurden außerdem die Adsorption und das Selbstorganisationspotential zweier verschiedener Fullerenspezies (C60 und C60F48) mit NC-AFM untersucht. Im Fall der wasserstoffpassivierten Oberfläche wurde hierbei besonderes Augenmerk auf den Einfluss möglicher Transferdotierungsprozesse auf die Fulleren-Substrat Wechselwirkung und damit auf die sich ausbildende Morphologie gelegt. Des Weiteren wurden selbstorganisierte Fullereninseln aktiv mit der NC-AFM Messspitze manipuliert. Hierbei konnten zwei verschiedene Ausprägungen spitzeninduzierten Inselwachstums beobachtet und die dahinter stehenden Mechanismen untersucht werden
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2081
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-31867
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	161 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen