Rastertunnelmikroskop
Final Report Abstract
Die zentralen Fragestellungen, die mit dem Rastertunnelmikroskop (STM) und komplementären Methoden bzw. unterschiedlichen Präparationsbedingungen untersucht wurden und weiterhin werden, betreffen hauptsächlich den Einfluss von Änderungen der Molekülkonformation auf die Wechselwirkung mit einem Substrat und die Wechselwirkungen zwischen diesen Molekülen. Dies wird insbesondere im Rahmen von Polymerkristallisationsexperimenten deutlich. STM-Messungen liefern hierbei Information auf submolekularer Skala zur lokalen Anordnung innerhalb eines zwei-dimensionalen Kristalls im „realen“ Raum. Diese Erkenntnisse fließen dann in die Interpretation von Untersuchungen auf größeren Längenskalen ein, zum Beispiel bei der Untersuchung von Polymer-Einkristallen. Des Weiteren werden Ladungstransportvorgänge in leitfähigen Polymeren zum Beispiel als Funktion von deren Morphologie untersucht, d.h. in Abhängigkeit von deren Konformation bzw. des Ordnungszustands der Umgebung (kristallin vs. amorph). In Zusammenarbeit mit der „Equipe Molécules sur Surfaces“ von Laurent SIMON (IS2M-CNRS, Mulhouse, Frankreich) wurde daher das UHV-Rastertunnelmikroskop (kombiniert mit der Möglichkeit, auch simultane Kraftmikroskopie durchführen zu können) in Betrieb genommen. Anfangs wurden vor allem bereits in Mulhouse begonnene Arbeiten an supramolekularen Polymeren der bis-urea-Systeme vervollständigt. Zur Kalibrierung und zur Identifizierung möglicher Unterschiede im Verhalten der aufgebauten Apparatur wurde besonders Wert auf Messungen gelegt, die Vergleiche erlaubt haben. Daher wurden einige Messungen, die bereits in Mulhouse durchgeführt wurden, reproduziert. Im ersten Forschungsprojekt wurden geordnete ein- bzw. zwei-dimensionale Strukturen untersucht. Ein wesentlicher Aspekt war dabei der Einfluss von konformationellen Änderungen auf die elektronischen Zustände in diesen Strukturen. Daneben wurde der Einfluss von zwischenmolekularen Wechselwirkungen auf die Kinetik von Ordnungsprozesse durch Visualisierung dieser Ordnungsstrukturen untersucht. Mit Hilfe von supramolekularen Systemen 2 aus π-konjugierten Molekülen wurden zum Beispiel molekulare Überstrukturen erzeugt, die molekularen Drähten ähneln und eine Art eindimensionaler Vereinfachung von dreidimensionalen Kristallstrukturen darstellen. Durch Selbstorganisation von konjugierten 2,5-Dialkoxy-Phenylenthienylene-basierten Oligomeren (TBT) auf einer Graphen-Monoschicht wurde die Bildung von langen eindimensionale supramolekulare kettenartige Strukturen erreicht, wobei eine physikalische Verknüpfung durch Thiophenringe an den Molekülenden erzielt wurde. dI/dV Rasterbilder zeigten eine kontinuierliche elektronische Zustandsdichte der angeregten Zustände entlang dieser Drähte. Dies deutet darauf hin, dass innerhalb solcher Molekülketten die Konjugation von Elektronen auch über physikalisch verknüpfte Moleküle beibehalten werden kann. So kann die Konjugationslänge durch einen Selbstorganisationsprozess und Anpassung der Konformationen von benachbarten Molekülen verlängert werden. Unsere STM Ergebnisse können somit potenziell auch als eine direkte Visualisierung von J-Aggregaten interpretiert werden. Zurzeit werden, auch in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Laurent Legrand/Michel Schott (Institut des NanoSciences de Paris), Kohärenz- und Dekohärenz-Phänomene im Zusammenhang mit Ladungstransport untersucht. Dazu werden eindimensionale Strukturen basierend auf einer in-situ Polymerisation von supramolekularen zweidimensionalen Diacetylen-Schichten mit unterschiedlichen Seitengruppen eingesetzt. Auch hier wird Graphen als Substrat eingesetzt. Eine zentrale Frage stellt dabei der mögliche Zusammenhang zwischen veränderlicher molekularer Konformation dar. So spiegeln sich zum Beispiel Defekte in Ausrichtung der Polymere in in Bezug auf die Molekül-Längsachse in einer Veränderung der lokalen Elektronendichte wider. Diese Erkenntnisse finden auch bei der Interpretation der optoelektronischen Eigenschaften dieser bzw. analoger Molekülsysteme in makroskopischen dreidimensionalen Einkristallen in Hinblick auf Photovoltaik-Anwendungen Eingang. Daneben werden auch Leitfähigkeitsmessungen, zum Beispiel an makroskopischen TBT-Einkristallen, im UHV mittels STM bzw. „conductive AFM“ durchgeführt. Außerdem wird in komplementären Experimenten versucht, Graphen mittels Diels-Alder-Reaktion mit zum Beispiel fluorierten Maleimid-Molekülen chemisch zu modifizieren. Durch kontrollierte Anlagerung dieser Molekülen werden die Eigenschaften (z.B.: elektronische Bandstruktur) von Graphen gezielt verändert.
Publications
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- Massive Enhancement of Photoluminescence through Nanofilm Dewetting. ACS Nano 7, 6658–6666 (2013)
Peiwei Lee, Wei-Cheng Li, Bin-Jih Chen, Chih-Wei Yang, Chun-Chih Chang, Ioan Botiz, Günter Reiter, Tsang-Lang Lin, Jau Tang, and Arnold Chang-Mou Yang
- Reversibly slowing dewetting of conjugated polymers by light. Macromolecules 46, 2352– 2356 (2013)
Ioan Botiz, Paul Freyberg, Natalie Stingelin, Arnold Chang- Mou Yang, Günter Reiter
- Anisotropic charge transport in large single crystals of π-conjugated organic molecules. Nanoscale 6, 4774 (2014)
Wael Hourani, Khosrow Rahimi, Ioan Botiz, Felix Peter Vinzenz Koch, Günter Reiter, Peter Lienerth, Thomas Heiser, Jean-Luc Bubendorff, and Laurent Simon
(See online at https://doi.org/10.1039/C3NR05858A) - Anisotropic Photophysical Properties of Highly Aligned Crystalline Structures of a Bulky Substituted Poly(thiophene). ACS Macro Lett. 3, 881-885 (2014)
Yingying Wang, Barbara Heck, Daniel Schiefer, John O. Agumba, Michael Sommer, Tao Wen, and Günter Reiter
(See online at https://doi.org/10.1021/mz500411c) - Light absorption of poly(3-hexylthiophene) single crystals. RSC Adv. 4, 11121 (2014)
Khosrow Rahimi, Ioan Botiz, John O. Agumba, Sajedeh Motamen, Natalie Stingelin, Günter Reiter
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François Vonau, Dominique Aubel, Laurent Bouteiller, Roozbeh Shokri, Günter Reiter, Olga Guskova, Laurent Simon
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Leonid Govor, Günter Reiter, and Jürgen Parisi
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