Rasterkraftmikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Rasterkraftmikroskops (AFM) des Lehrstuhls für Experimentelle Polymerphysik des Physikalischen Instituts der Universität Freiburg wurde zur Charakterisierung von A: dünnen Polymerfilmen, B: durch Kristallisation induzierte Morphologie- und Strukturänderungen in Polymerkristallen und C: den durch molekulare Selbstorganisation erhaltenen funktionellen Strukturen eingesetzt. Im Folgenden werden einige wichtige Erkenntnisse, die durch diese AFM-Messungen erhalten wurden, skizziert. A. Verhalten und Eigenschaften von Polymeren in dünnen Filmen. Mit Hilfe von AFM-Messungen konnten wir die Form der Wulst, die während des Entnetzens von dünnen, aufgeschleuderten Polymerfilmen entsteht, detailliert vermessen und deren Veränderungen auch in Abhängigkeit der Zeit und der Alterungsbedingungen verfolgen. Dabei war es insbesondere sehr wichtig, festzustellen, dass die Höhe der Wulst, ein Parameter, der nur mit AFM so präzise bestimmt werden kann, das gleiche Alterungsverhalten zeigt wie der Durchmesser des entnetzten Loches und die Breite der Wulst, Größen die optischer Mikroskopie zugänglich sind. Damit konnten wir zeigen, dass es sich nicht nur um ein Oberflächenphänomen, sondern um eine Eigenschaft des gesamten Films handelt. Für komplementäre Entnetzungsexperimente mit konjugierten Polymeren konnten wir zeigen, dass das Abbremsen des Entnetztens durch Beleuchtung mit weißem Licht nicht auf eine Veränderung des Kontaktwinkels, sondern auf eine Veränderung der effektiven Viskosotät des Filmes zurückgeführt werden kann. B. Wachstumsprozesse in komplexen Systemen. Neben der Charakterisierung der lamellaren Kristallstrukturen mit einer Nanometerauflösung wurde AFM auch zur Bestimmung der durch Tempern bei Temperaturen knapp unterhalb des Schmelzpunktes induzierten strukturellen Veränderungen eingesetzt. Dabei ist besonders der Vorteil von Tapping-Mode AFM bezüglich der Unterscheidbarkeit von (noch) kristallinen und (bereits) aufgeschmolzenen Bereichen innerhalb eine Probe zu erwähnen. Durch die Möglichkeit auch bei Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes durchführen zu können (unter Benutzung der entsprechenden AFM-Heizplatte) konnten wir neben einer Lamellenverdickung auch das „Wegschmelzen“ von Nanokristallen auch bei relativ niedrigen Temperaturen bestimmen. Auch zur Charakterisierung von kristallinen Strukturen von konjugierten Polymeren wurde AFM eingesetzt. Wir konnten einen Zusammenhang zwischen Orientierung der kristallinen Lamellen und einer höheren Ladungsträgermobilität in Richtung der Achse der Polymerketten, d.h. in Richtung senkrecht zu den Lamellen herstellen. Außerdem war AFM auch sehr hilfreich, um die morphologischen Veränderungen an Polymereinkristallen nach „Waschen“ in einem entsprechenden Lösungsmittel festzustellen. C. Molekulare Selbstorganisation und Bildung funktioneller Strukturen an Oberflächen Auch zur Charakterisierung von mono-molekularen Schichten aus geordneten funktionellen supramolekularen Systemen war AFM sehr hilfreich. Hierbei war Tapping-mode AFM auch bei periodischen Strukturen mit Abständen von nur einigen Nanometern in der Lage Veränderungen zu detektieren und neben lokalen Unterschieden gleichzeitig auch die Anordnung der aus diesen System aufgebauten supramolekularen Polymere zu auf Flächen einiger Quadratmikrometer zu bestimmen. Neben dem Einfluss von Temperatur auf den Ordnungsprozess lag ein Hauptaugenmerk auf den Veränderungen die durch Tempern im Lösungsmitteldampf hervorgerufen wurden. Es ist auch gelungen, eine Beziehung zwischen der durch AFM bestimmten Orientierung von Polymeren in kristallinen Überstrukturen und optischer Doppelbrechung herzustellen. Über diese veröffentlichten Arbeiten wird das AFM in unserer Arbeitsgruppe sehr intensiv zur strukturellen Charakterisierung verschiedener Proben eingesetzt und zur Kalibrierung von Interferenzfarben aus Untersuchungen mittels optischer Mikroskopie verwendet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Aging of thin polymer films cast from a near-theta solvent. Phys. Rev. Lett. 105, 227801 (2010)
Adam Raegen, Mithun Chowdhury, Christophe Calers, Alexander Schmatulla, Ullrich Steiner, and Günter Reiter
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Processes of Ordered Structure Formation in Polypeptide Thin Film Solutions. Adv. in Polymer Science, 242 (2011) 117-149
Ioan Botiz, Helmut Schlaad, Günter Reiter
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Systematic Control of Nucleation Density in Poly(3-hexylthiophene) Thin Films. Advanced Functional Materials 21, 518–524 (2011)
Edward J. W. Crossland, Khosrow Rahimi, Günter Reiter, Ullrich Steiner, and Sabine Ludwigs
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Anisotropic Charge Transport in Spherulitic Poly(3-hexylthiophene) Films. Adv. Mater. 24, 839–844 (2012)
Edward J. W. Crossland, Kim Tremel, Florian Fischer, Khosrow Rahimi, Günter Reiter, Ullrich Steiner, and Sabine Ludwigs
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Consequences of varying adsorption strength and adding steric hindrance on self-assembly of supra-molecular polymers on carbon substrates. J. Phys. Chem. C, 2012, 116 (40), pp 21594–21600
Roozbeh Shokri, Francois Vonau, Marion Cranney, Dominique Aubel, Ashok Narladkar, Benjamin Isare, Laurent Bouteiller, Laurent Simon, Günter Reiter
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Controllable processes for generating large single crystals of poly(3-hexylthiophene). Angew. Chem. 124, 11293 –11297 (2012)
Khosrow Rahimi, Ioan Botiz, Natalie Stingelin, Navaphun Kayunkid, Michael Sommer, Felix Peter, Vinzenz Koch, Ha Nguyen, Olivier Coulembier, Philippe Dubois, Martin Brinkmann and Günter Reiter
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Morphological changes during annealing of polyethylene nanocrystals. EPJE 35,18 (2012)
Nandita Basu, Anna Osichow, Stefan Mecking
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Segmental Relaxations Have Macroscopic Consequences in Glassy Polymer Films. Phys. Rev. Lett. 109, 136102 (2012)
Mithun Chowdhury, Paul Freyberg, Falko Ziebert, Arnold C.-M. Yang, Ullrich Steiner and Günter Reiter
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Crystallization of Poly(γ-benzyl L-glutamate) in Thin Film Solutions: Structure and Pattern Formation. Macromolecules 46, 1470-1476 (2013)
Kaiwan Jahanshahi, Ioan Botiz, Renate Reiter, Ralf Thomann, Barbara Heck, Roozbeh Shokri, Werner Stille and Günter Reiter
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Generating long supramolecular pathways with a continuous density of states by physically linking conjugated molecules via their end groups JACS
R. Shokri, M. A. Lacour, J.-P. Lere-Porte, F. Serein-Spirau, K. Miqueu, J.-M. Sotiropoulos, F. Vonau, D. Aubel, M. Cranney, G. Reiter, and L. Simon
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Reversibly slowing dewetting of conjugated polymers by light Macromolecules
Ioan Botiz, Paul Freyberg, Natalie Stingelin, Arnold Chang-Mou Yang, Günter Reiter
