Rasterkraftmikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Rasterkraftmikroskop wurde in den ersten drei Jahren nach der Inbetriebnahme für drei zentrale Forschungsprojekte genutzt. Eine wesentliche Fragestellung war die Untersuchung der molekularen Selbstorganisation auf einer nichtleitenden Oberfläche, Calcit(104). Diese Arbeiten wurden im Rahmen einer inzwischen abgeschlossenen Promotion durchgeführt, die durch den SFB 625 TP B17 gefördert wurden. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie die üblicherweise sehr schwache Wechselwirkung organischer Moleküle mit nichtleitenden Oberflächen erhöht werden kann. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für die molekulare Selbstorganisation dar, die vom Zusammenspiel intermolekularer Wechselwirkungen und der Wechselwirkung der Moleküle mit der Oberfläche lebt. Eine strukturelle Vielfalt kann nur dann erreicht werden, wenn der relative Beitrag dieser Wechselwirkungen geeignet eingestellt werden kann. Konsequenterweise haben wir uns daher mit Strategien auseinandergesetzt, welche funktionellen Gruppen zur Verankerung der Moleküle auf dem Substrat geeignet sind. Dies erfolgte in enger Zusammenarbeit mit einer synthetisch arbeitenden Gruppe (Prof. Andreas Kilbinger, Fribourg), die uns dafür geeignete Moleküle zur Verfügung gestellt hat. Darüber hinaus hat diese Arbeit sehr interessante Fragen für weitere Forschungsaktivitäten aufgeworfen, die die weitergehende Quantifizierung des Einflusses der Molekül- Molekül und der Molekül-Substrat-Wechselwirkung auf die Selbstorganisation betreffen. Dies wird gegenwärtig in einer weiterführenden Doktorarbeit untersucht. In einer aktuellen Bachelorarbeit gehen wird darüber hinaus der Frage nach, inwieweit die Deprotonierung von Bezolsäurederivaten Einfluss auf die Selbstorganisation nimmt. Ein äußerst interessanter Effekt, der entscheidenen Einfluss auf die molekulare Selbstorganisation hat, ist der Ladungstransfer, der auf wasserstoffterminierten Diamantoberflächen (C(001):H) auftritt, wenn Moleküle mit hoher Elektronenaffinität aufgebracht werden. Hier konnten wir im Rahmen einer weiteren Doktorarbeit zeigen, dass sich die Selbstorganisation qualitativ ändert, wenn Ladungstransfer auftritt (siehe 2.4 Punkt 3). Diese Arbeit ist durch ein Projekt der VolkswagenStiftung gefördert worden. Inzwischen existiert dazu ein Nachfolgerprojekt, in dem wir die Deposition von mit endohedralen Fullerenen gefüllte Kohlenstoffnanoröhren auf Diamant für die potentielle Anwendung in einem Quantencomputer testen. In diesem Rahmen wurde eine Diplomarbeit an der Anlage durchgeführt, die die Abbildung von Diamantoberflächen und die Deposition von Fullerenen zum Thema hatte. Für viele Anwendungen sind die Strukturen, die durch molekulare Selbstorganisation erzeugt werden, aufgrund der inhärenten Reversibilität der beteiligten Bindungen nicht stabil genug. Daher ist man bestrebt, auch kovalent verknüpfte Strukturen direkt auf der Oberfläche herzustellen („on-surface synthesis“). Während es bereits einige Beispiele für die direkte Erzeugung kovalent verknüpfter Strukturen auf metallischen Trägermaterialen gibt, ist dies auf nichtleitenden Substraten bisher Neuland gewesen. Diese Lücke konnten wir im Rahmen eines durch die DFG und die ANR geförderten Gemeinschaftsprojekt füllen. Die Arbeiten dazu wurden zum Teil parallel an einer anderen Anlage durchgeführt. Wir konnten zeigen, dass sich Fullerene auf einer Calcitoberfläche photochemisch polymerisieren lassen und dass dies aufgrund der Periodizität des Substrats zu einer gerichteten Polymerisation führt. Diese und auch andere Arbeiten aus unserer Gruppe haben zu einer erfolgreichen Einwerbung eines EU Projektes beigetragen, in dem wir für eine Arbeitspaket (kovalente Verknüpfung auf nicht- und halbleitenden Substraten) verantwortlich sind. Die photochemische kovalente Verknüpfung auf nichtleitenden Oberflächen wird gegenwärtig im Rahmen einer Doktorarbeit an der Anlage weitergeführt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- From dewetting to wetting molecular layers: C 60 on CaCO 3 (10-14) as a case study. Phys. Chem. Chem. Phys. 14 (2012) 6544
Philipp Rahe, Robert Lindner, Markus Kittelmann, Markus Nimmrich and Aangelika Kühnle,
- Influence of charge transfer doping on the morphologies of C 60 islands on hydrogenated diamond C(100)-(2 x 1). Phys. Rev. B 85 (2012) 035420
Markus Nimmrich, Markus Kittelmann, Philipp Rahe, Wolfgang, Harneit, Andrew J. Mayne, Gérald Dujardin and Angelika Kühnle
- Molecular Self-Assembly of Enantiopure Heptahelicene-2-Carboxylic Acid on Calcite (10-14). J. Phys. Chem. C 116 (2012) 4637
Christopher M. Hauke, Philipp Rahe, Markus Nimmrich, Jens Schütte, Markus Kittelmann, Irena G. Stará, Ivo Starý, Jiří Rybáček, Angelika Kühnle
- Controlling Molecular Self-Assembly on an Insulating Surface by Rationally Designing an Efficient Anchor Functionality that Maintains Structural Flexibility. ACS Nano 7 (2013) 5491
Christopher M. Hauke, Ralf Bechstein, Markus Kittelmann, Christof Storz, Andreas F. M. Kilbinger, Philipp Rahe and Angelika Kühnle
