Electronic and optical properties at the nanoscale studied by STM

Abstract

This thesis reports on the electronic properties of surface state (SS) electrons near one-dimension gratings; and the opto-electronic properties of metallic systems, and molecular emitters, inside the plasmonic nano-cavity of a Low-Temperature (LT) Scanning Tunneling Microscope (STM) in Ultra-High-Vacuum (UHV) conditions. The thesis can be divided in three blocks. First, the scattering of Cu(111) surface state (SS) electrons near the edges of TCNQ molecule islands is investigated. By means of Quasi Particle Interference (QPI), and 1D Fourier-Transform of dI/dV spectra, it is found that the band structure of the quasi-free Cu(111) SS electrons, follows a discrete set of energy bands, originating from Bragg diffraction at the edges of the molecule islands. Second, the light emission of noble metal surfaces, is studied as a function of the tunneling parameters. We have focused on the interpretation of the slow decay of the light intensity towards the quantum cut-off for 1e�������� processes, the overbias emission, and the quenching of luminescence after the maximum of the photon yield. Also, the effects on the light emission properties due to the adsorption of ultrathin layers, on top of noble metal surfaces, are studied for two cases: Au islands on Ag(111), and NaCl bi-layers on Au(111). Third, the luminescence of electronically decoupled C60 nanocrystals is characterized. At positive bias above a certain threshold voltage, the spectral distribution of the emitted light is dominated by a series of sharp resonances, that are unambiguously identified with molecular fluorescence of C60 molecules. We show that the emission type can be switched in a controlled way from plasmonic to molecular with the tunneling parameters, in a fixed excitation position. As a general remark, the results presented in this thesis contribute to the better understanding of the opto-electronic properties of model systems, at the atomic and molecular level

En esta tesis se estudian las propiedades electrónicas de los electrones de estado de superficie en las cercanias de redes de difracción unidimensionales; y las propiedades opto-electrónicas de sistemas metálicos, y emisores moleculares, incluidos en la nanocavidad plasmónica de un microscopio de efecto túnel operado a baja temperatura y en ultra alto vacío. Esta tesis se puede dividir en tres bloques. En primer lugar, se ha investigado la dispersión de los electrones del estado de superficie de Cu(111) en las proximidades de los bordes de islas de moléculas de TCNQ. Mediante técnicas basadas en la espectroscopía túnel, se ha encontrado que la estructura de bandas de los electrones quasi-libres del estado de superficie de Cu(111), está formada por un conjunto discreto de bandas, que tienen su origen en la difracción de Bragg en los bordes de las islas de moléculas. En segundo lugar, se ha estudiado la emisión de luz de superficies de metales nobles, en función de los parámetros túnel. El foco se ha puesto en la interpretación del decaimiento lento de la intensidad de luz cerca del corte cuántico asociado a procesos de un electrón, en la región de emisión por encima del corte cuántico, y en el decaimiento de la intensidad de luz integrada más allá de del máximo de eficiencia de excitación. En tercer lugar, se ha caracterizado la luminiscencia de nanocristales de C60 desacoplados electrónicamente. Avoltajes positivos por encima de cierto valor umbral, la distribución espectral de la luz emitida está formada por una serie de resonancias estrechas, que han sido unívocamente identificadas con la luminiscencia molecular de moléculas de C60. Hemos demostrado que se puede cambiar entre luminiscencia molecular y plasmónica de manera controlada mediante la modificación de los parámetros tunel, en una posición de excitación fija. Como comentario general, los resultados presentados en esta tesis contribuyen al entendimiento de las propiedades opto-electrónicas de sistemas modelo en la escala de átomos y moléculas individuales