surface potentials of patterned organosilane self-assembled monolayers acquired by kelvin probe...

6
Surface potentials of patterned organosilane self-assembled monolayers acquired by Kelvin probe force microscopy and ab initio molecular calculation N. Saito a, * , K. Hayashi a , H. Sugimura a , O. Takai a , N. Nakagiri b a Department of Materials Engineering, Graduate School of Engineering, Nagoya University, Furo-cho, Chikusa, Nagoya 464-8603, Japan b Core Technology Center, Nikon Co., Shinagawa, Tokyo 140-8601, Japan Received 26 April 2001; in ®nal form 12 September 2001 Abstract This study aimed experimentally and theoretically to reveal the surface potentials of organosilane self-assembled monolayers SAMs) using Kelvin probe force microscopy KPFM) and ab initio molecular orbital MO) calculations, and to distinguish among the surface domains of the SAMs. We prepared the patterned SAMs of n-octadecyltrimethoxysilane [ODS: H 3 CCH 2 17 SiOCH 3 3 ], heptadeca¯uoro-1,1,2,2-tetrahydro-decyl-1-trimethoxysilane [FAS: F 3 CCF 2 7 CH 2 2 SiOCH 3 3 ] and n-6-aminohexyl)aminopropyltrimethoxysilane [AHAPS: H 2 NCH 2 6 NHCH 2 3 SiOCH 3 3 ] by chemical vapor deposition CVD). The surface potentials for FAS-SAM and AHAPS-SAM vs. ODS-SAM in the at- mosphere were )170 and +50 mV, respectively. The experimental surface potentials agreed with the calculated ones at the surface area occupied by a molecule of 1.1±1:5 nm 2 molecule 1 . Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. 1. Introduction Self-assembling organic molecular monolayers have been expected as a main basic technique in the ®eld of molecular devices since they may pro- vide the desired control on monolayer structures at the molecular level and the expansions of the functional organic materials obtained through three-dimensional molecular assemblies [1]. In or- der to construct such three-dimensional molecular assemblies, highly selective self-assembling reac- tions are required. Some minute and selected re- gions on substrates must recognize speci®c molecules among all the molecules in a chemical reaction system. Thus, evaluation of surface properties of molecular assemblies is of particular importance in order to design structures of mo- lecular assemblies, including self-assembled monolayers SAMs), that is, one of the simplest molecular assemblies. Many researchers have in- vestigated various SAMs using scanning probe microscopy SPM) since it is a promising method for measurement of molecular interactions which play key roles in molecular recognition reactions. Kelvin probe force microscopy KPFM), which is 30 November 2001 Chemical Physics Letters 349 2001) 172±177 www.elsevier.com/locate/cplett * Corresponding author. Fax: +81-52-789-2796. E-mail address: [email protected] N. Saito). 0009-2614/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0009-261401)01097-1

Upload: n-saito

Post on 02-Jul-2016

215 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Surface potentials of patterned organosilane self-assembled monolayers acquired by Kelvin probe force microscopy and ab initio molecular calculation

������� ����� � � ������� ������ ��� �� �������� ���� ����� �������� �� �� ��� ���� ���� �������� ���

�� ���� � ��� �� �� �� ���

�� ��� ���� �� ������� �� �� �������� �� �� �� �� �� �� �� ����� �

� ���������� ������� � ������������ �������� ��� ������������ ����� ����������� ������� ��������

����� ! �"!#$� %����� ��� &���� �� ������� ���� �'� �������(�� &�� ) #�"!#)� %����

!������� "# $��� "%%&' �� (�� ��� &" �������� "%%&

��������

���� ���� ����� �)�������� � ��� ������� � ����� �� ������� ����� � � ������ ��� �� �������� ��

�� ����� *�$+�, ������� ��� ���� ������������ *�-.+, ��� �� ����� ��� �� ���� *+�, �� �� ����� ���

���������� ���� �� ������� ������ � �� �$+��/� �������� �� ������� �$+� � �������� �����)��� ���

0�1�2 �34�4�"�&5����4�3�36� ��������7���&�&�"�"������������� �&������)��� ��� 0.$�2 .34�4."�5�4�"�"����4�3�36 ��� ��*#�������)� ,�������� �����)��� ��� 0$�$-�2 �"��4�"�#���4�"�3 ����4�3�36 ��

������� ���� ������� *481,� ��� ������� ����� � �� .$���$+ ��� $�$-���$+ ��� �1���$+ �� �� ��

������� 9��� �&5% ��� :;%�8� ��������� �� ��� �)�������� ������� ����� � ������ 9�� �� �� �� ��� ��� � ��������� ���� ������� �� � � ��� � � &�&<&�; ��" � ��� ��&� � "%%& = ������ ������� >�8� $ ����� ���������

� ���� ������

�� �������� ��� ������ � ��� �� �� ��������� ���� �)����� �� � ���� ����� �������� ���� (� � � � ��� �� ������� ����� ��� ��� ������� �� ������� ��� � �� ���� �������� ��� � ��� �� ��� ��� �� �)������� � ��������� ������ ������ � ������ ������������������� � ��� �� ������ ��� 0&6� ?� ����� ������ ���� �������������� � ��� ��

������ ���� ���� � �� ����� �� �������� ��� �������� ��� ��������� ��� ����� ��� �� ���� ������� � �������� ��� ������@� �����(�� ��� �� ���� � �� � ��� �� �� � ������� ������ ������ ����� ��� ���� � ��������������� � � ��� �� ������ ��� �� � ������ ���������� �� ���� ������ �������� � �� ��� �� ������ ���� ��� ����� �� �������� ���� ����� *�$+�,� �� ��� �� � �� ���� ��� ��� �� ������ ���� +��� ����������� ���� ����������� ������ �$+� ����� �������� ������������ *�-+, ����� � �� � �������� ������ ���������� � � ��� �� ��������� 9����� �� �� � �� �� � ��� �� �������� ���������� ��� ���� ���� �������� *�-.+,� 9���� ��

3% ������� "%%&

4������ -������ A���� 3BC *"%%&, &5"<&55

999�� ���������D ���D�� �

� 4���������� ����� .�)2 :E&�;"�5EC�"5C#�

����� �������* �������F� ����������������������G�

*�� ���,�

%%%C�"#&BD%&DH � ��� ��� ���� � "%%& = ������ ������� >�8� $ ����� ���������

-??2 �%%%C �"#&B *%&,%&%C5 �&

Page 2: Surface potentials of patterned organosilane self-assembled monolayers acquired by Kelvin probe force microscopy and ab initio molecular calculation

� ��� � �-+� ������� �� 9�� �� ������� ������ � �$+ 0"6� ��� ������� ����� ������ � �� ��� �� � ��� �� �������� �������� ������� ����� �������� ��� ��������� ��� ��� ����� �� ��� � � �� �$+ ������� �� ������ � ������� ����� � /� ��� ������ � �� �-.+ ���������� � �� �� ������� � � �� ������������ � ��� �� ������������������ ��� �� ��� ���� � ��� �� ��������

�-.+ ����������� ���� ���� ���� �� ��� ��� �� �������� � ��� �� �$+� � � ��������� 0"�36� ?� �� ������� ��������� ��� ������� ����� � ��� � ��� >���� 0B<#6 ��������� �� �� ��� � A�������<> ��� *A>, ( ����� ������ 9�� �)�������� ��� �� ��� �)���+���� � � � 056 �� �� ��� ��� �������� �� �������� ����� � � �� �� � 9�� �� �) ������� �� � �������� ��� ��9�� �� �� ���� ���� �) ������� �� ����� 9�� �� ������� ������������ ������� �9����� ��9 ����� �������� ���� � �� ������� ����� �� ������� ��� �$+�� ������� � ��� �������� �� ������� ���� ������� *481,�

/� ���������� �� ������� �$+� � ��������� �����)��� ��� 0�1�2 �34�4�"�&5����4�3�36� ��������7���&�&�"�"�������������� �&������)��� ��� 0.$�2 .34�4."�5�4�"�"����4�3�36 ��� ��*#�������)� ,�������� ������)��� ��� 0$�$-�2 �"��4�"�#���4�"�3����4�3�36 �� 481 0E<&%6� ?� ���� ������� �������� 9� ���� � ������ � 481 ��� ����������� ������� �� ��������� �$+�� +�����9� ����@�� ������� � �� �-.+ ������������ �� ������ ��� �$+� ����� ������������������� � �1�� ��� .$���$+� �� �� �)��� ��?� ��� ����� 9� ��� �)�������� � ��� �������� � ����� �� ������� ����� � � �1�� .$���� $�$-���$+� ����� �-.+ ��� �� ����� ��� �� ���� *+�, �� �� ����� ��� ����������� ���� �� ������� ������ � �� �$+��

� �����������

+')' ,-�� �����������

$ ���� �� �� ��� ���� 9��� ������� �� ���9�� � �-.+ *��� ?��������� �-$�3%%�8:

�-?�3E%%�, ����� � � ������ �� ��� ���� �������� � 9��� ���� � � �� �-.+ �����������9��� ��������� � �� ����� � �� ������� ��������� 0&&�&"6� !������� ��������� ��� .�����9��� "#�"5 �@ ��� ����)���� � &E%� ���������� �� ��� ���� ���� 9�� ������� � � ���������� "5�CE �@� $� �� ���� � ��� � " 8 � � ���������� � ; �@ 9�� ��� ��� ��9��� �� ������� ���� �� �-.+ ������ � �� ���� � �������9��� �������� � � ���� ���� ��� � %�& �@�

+'+' -��������� ��� -��������� �/�

��� �1���$+�� .$���$+� ��� $�$-���$+� 9��� �������� � �� �������� � ������� ��� �� 481� .��� & ��9� �� ������ ������������ ��������� ?� ��� &� � �� ���������� ������ 9�� � ��� )��� ���� *��� & ��,9�� ����)� ��� ��� � ����� �� � �� ���� ����� I8D@�� � ������ ����� ��� ����� � ����� ��� ���� 9�� �� �)����� ��� 9�� � � &5" ����� &% �/���

"*I��� = ������ I=!"%�&5"8,�

?� ��� "� � ��� � �$+ 9�� ������� ����� ��������� �� ��� �� � ������ ��� ������ ����������� 9��� ��� 353 B"3 � ��� �� ��������� 9�� 3 � �� � ���� ��� ��� �������� �� ������ � ����� 9�� �� ����)� � � �� ������������ �� 9� ������ � ��� �� ������� 9�� ���$+ �� ��� ���� ?� ��� 3� �� ������� 9�� ���������� ����� � ������� �������� � &% -� 9�������� � ����� � *8I8, ��� ����� ������ � ���� ������ �������� �� ������� �$+� ��� ����)� ��� �� �� )��� ������� ������� )���� ������� �������� ��� ���������)���� �������� ?� ��� B� ����� ��� � �$+9�� ������� �� � ���� �� ������ �� �� ��� "���� ����� ������� � 9 ���� � �$+��������� � �� ������� ������ �� �� ����� ����� �� �������� �� ����� ��� � �$+ ������� 9�� �� ����)� �� � 9�� �� ������$+�

+'$' �� �� ����

$ �� ���� +� �� �� ���� 9��� ������������� J$I��?$�$I��?$� CE 0&36� ��� �������� ��� ��������� 9��� ������ �� �� ������ ������ �������� ���� 9�� 1C; ����� ��' >3AK-D1C;� $

�' ���� �� � ' 0 ������� -������ 1������ $ 2 3+##)4 )5+6)55 &53

Page 3: Surface potentials of patterned organosilane self-assembled monolayers acquired by Kelvin probe force microscopy and ab initio molecular calculation

������� ��������� 9��� ������ � �� �� �����@����

� ������� �� ���������

.��� " ��9� �� �-.+ ������ � *�, �1�D.$���$+ ��� *�, �1�D$�$-���$+� ��� ��� ��� ��� ������ �������� �� ��� � 9��� ���� ������� ����� � �� � ���� �� ���������� �� ��� ������� ����� �� �1���$+ 9����� &5% �8 ��� ������ ��� �� � .$���$+���� 9�� � ������ ��� ;% �8 ��� ������� ���

�� � $�$-�� ���� �� ������� ����� � ������� ��� ������ �� �� ���� � .$���$+��1���$+ ��� $�$-���$+� ����� 9� ��������9 �� ������� ����� � � ��L������� ��� �������� .��� 3 ��9� �� ���� � ������� � � �-.+�� ��� ����� ���� ����� ������ � (�� ����' �� ������ �� ��� ����� � �� �������� � ���������� � � � � ����� ��� � ���� �� ���� ��� ��� � � ������ ��� �� ���������� ���� �� ������� ����� ��� � � 9��� ���������� �� ��G���� � �� � ������ 79������ �� �� ������� �� � � ������ �� ������� �� �������� ���� ����� �� ���� ��

.��� &� +����������� ������ �� ������� ������ ��� �$+��

&5B �' ���� �� � ' 0 ������� -������ 1������ $ 2 3+##)4 )5+6)55

Page 4: Surface potentials of patterned organosilane self-assembled monolayers acquired by Kelvin probe force microscopy and ab initio molecular calculation

��� � �� ���� ����� � �� ��������� ��������� ��L������ � ������� ����� ��9��� �$+&��� �$+" �� ��������� �� 0"6

���$+& ��� �$+" � � � �$+&� �� � � �$+"� ������&�

9���� ���� ��� � ��� �� 9� ������ � ������� � ��� ��� ������� ��������� ��

=�� *&, �� � � ���� �� � 9��� ������������ ��� �� �� �� @ ������ 0B<56

���$+& ��� �$+" � ��$+&

��$+&��$+&

�� ��$+"

��$+"��$+"

�&

�%�

�"�9���� � �� �� ���� �� �� � �� ��� � �������� �� ������� �� � � ��� �� / �� ����������� �� ���� � ��� �� ��� � �� ��� ����������� �% �� ��������� � ���� ������ �����L������ � ������� ����� �� ��� �� ��� �� ��� � ���� ��� 9� ������ � �$+����� �� �� @ ������ 9�� ���� �� �� � 9�������������

/� ���� �� � 9��� � ��� �� �� �� ��� � �$+2 �34�4�"�&;4�3 �� �1�� .34�4."�54�"4�3 �� .$� ��� �"��4�"�#���4�"�"4�3

�� $�$-�� ������ �)��� �� ���� � ��� ��� ����� �������� 9��� �� ����� .��� B ��9� ���������� ��� ��� � ����� �� ��� � ���� ��� ��� �������� � �1��� ��� �� .$��� ��� � ��� $�$-��� ��� � 9��� ���� ��������� ��� ����� ��������� �� ��� ��� � �� .$��� ��� � ����� ����� ������� � �� ��������� ��������� ���� 7������� ��� �1��� ���� �� .$��� ��� � ��� $�$-��� ��� � ������ ��� � ����� � %�%3� "�3E ��� %�;5 1�������������� �� $������� �� ���� � � � ���� ����� �� �������� �� ��� � ����� ���� �� ������� �� �� �1��� ��� �� .$��� ���� � ��� $�$-��� ��� � 9��� %�%3 ��*C%�%�,�

.��� "� �-.+ ������ �� �1�D.$���$+ ��� �1�D$�$-��

�$+�

.��� 3� �������� ������� ��9��� ������� � � �-.+�

�' ���� �� � ' 0 ������� -������ 1������ $ 2 3+##)4 )5+6)55 &5;

Page 5: Surface potentials of patterned organosilane self-assembled monolayers acquired by Kelvin probe force microscopy and ab initio molecular calculation

"�3E ��*";�3�, ��� %�;5 ��*&"�B�,� ��������� ������� �� ����� � �1���$+ ��� � ������� �� � ��� �� ��� ��� ������ ����� �� ��� �

���� ���� �� ������� �� ���� � �1��� ��� �� �� � 9��� ���� @�� �� ��� ��� ���� ��� ����� ������ �� � �$+� ���� 9�������)���� � ���� �� ���� �� �� � 3�% 0#6�/��� ���� �������� ��� �������� =�� *",��� �� ������� ��9��� �� ������� ����� ����� ���� ������� �� ���� � ��� � ��� �������.��� ; ��9� �� �� �� ��� ������� ����� � ����1���$+� ��� �)�������� ������� ����� ������� 9�� �� �� �� ��� ��� � �� � � &�& &�; ��" � ��� ��&� ��� ������ ��� A> ( �������� � ��� �� � � %�& %�E ��" � ��� ��&

0&B6� ��� ��� ��� �������� � �$+� �������� ��481 9��� ��� �� ��� ��� � ������ ��� A>( ��� J����� �� A> ( �� ��� ���(��� � ��������� �� ������ ������� ��������� ��� �� ���� ������� ���� 9���� �������� ��� � �$+����� �������� ��� ��� �������� �� �$+� ���������� � ��� ��� ���9���� ���� ���� � ��������� �� �� ������� ����� �� �$+ ������ ������������ � �� ������ ��������� ���$+<481�

?� ��� ����� 9� ���� ������ �� ���� � ��� ������� ����� � �1���$+� .$���$+��� $�$-���$+ ����� �-.+ ��� �� ���� +��� �� ���� /� �� ���� �� �� � ��� �� ��������� ��������� �� ��� ���� ��� �� ����� ��������� � ��� �� ������� �� �� ������

�������� �������

���� 9� ��� ���� ������� �� �� !�������-�G�� M>������� +����� � -��������N *��O�-��!.�. CC!&3&%&,� !������� �� �� .����*!.�., -������ O���� ����� �� �� -����� � ��������

����������

0&6 $� I ���� $� ?������� I ����� ������� .� ���

$������� -����� >��� +$� &CC&�

0"6 +� .�G������ $���� !��� +���� ���� "C *&CCC, 3;3�

036 O� A�� =� 1� �������� A� =��� !� >����9�@� =� +�����

��O� J������� A������� &; *&CCC, E&EB�

0B6 1�+� ��� �� J�.� >����� -���� !��� = BC *&CCB, &B3C�

0;6 1�+� ��� �� J�.� >����� +���� ���� =��� 4E<4C *&CCC,

#;�

0#6 1�+� ��� �� 4 �� ?������� ���� E5 *"%%%, &E3�

.��� ;� 4� �� ��� ������� ����� �� .$���$+ ���

$�$-���$+ ��� �1���$+�

.��� B� + ��� �� �������� ��� ��� � ����� �� �1��

�$+� .$���$+ ��� $�$-���$+�

&5# �' ���� �� � ' 0 ������� -������ 1������ $ 2 3+##)4 )5+6)55

Page 6: Surface potentials of patterned organosilane self-assembled monolayers acquired by Kelvin probe force microscopy and ab initio molecular calculation

056 K� +����� �� ������� �� ��������� +� ?9��� K�

?�������� O� I������� 4���� -���� A�� 3&; *&CCC, &�

0E6 $� �@���� �� I�������� �� ��������� �� �� ���

A������� &; *&CCC, 5#%%�

0C6 �� ��������� �� I�������� $� �@���� �� �� ���

A������� &# *"%%%, EE;�

0&%6 $� �@���� K� K ��9�� �� ��������� �� ��������� �

� �� O� 8��� ���� ����� � $ &C *"%%&, &E&"�

0&&6 �� ��������� �� �������� �� ���� �� �� ��� �� �� ������

O��� O� $�� � -���� B% *"%%&, A&5B�

0&"6 �� ��������� �� �������� �� ���� �� �� ��� �� �� ������

O��� O� $�� � -���� B% *"%%&, B353�

0&36 +�O� .����� � � �� J$I��?$�$I��?$� CE� !������ $�C� J�������

?��� -�������� -$� &CCE�

0&B6 �� �G�� $� �� ������ �� ��G������ 4 ��� ����� $ &#C

*"%%%, "C;�

�' ���� �� � ' 0 ������� -������ 1������ $ 2 3+##)4 )5+6)55 &55