Metallorganische Multischichtsysteme für Anwendungen in Elektronik und Spintronik

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Zharnikov
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 36043814

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des von der DFG geförderten Projektes wurde eine Reihe neuer Ergebnisse und Erkenntnisse gewonnen, die sowohl eine grundlegende Bedeutung als auch sehr großes Potential für verschiedene Anwendungen haben. Das Ziel des Projektes war die Herstellung von ultradünnen, metallischen und ferromagnetischen Schichten und Nanostrukturen auf wohldefinierten organischen Unterlagen, die durch selbstaggregierende Monolagen (SAMs) hergestellt werden. Da die geplante Kombination von den chemisch aktiven Gruppen und Quervernetzung nicht völlig ausreichend war, um die Diffusion der Metalladsorbatatome in den SAMs hinein komplett und reproduzierbar zu unterbinden, haben wir zwei neue Verfahren entwickelt, um die Metalladsorbate auf der SAM-Oberfläche zu fixieren. Im Rahmen des ersten Verfahrens wurden neuartige, fluorierte aromatische SAMs eingesetzt, bei denen nicht die Endgruppen sondern die Moleküle selber mit dem Metalladsorbat-Atomen (Ni) chemisch reagieren, wobei diese Reaktion exklusiv an und in der Nähe der SAM-Oberfläche stattfindet und die Diffusion weiterer Metallatome komplett verhindert. Im Rahmen des zweiten Verfahrens wurde eine sehr dünne (0.6 nm) Vorbeschichtung aus PdCl2 verwendet, die die Metalladsorbat-Atome chemisch anbindet, wobei es direkt auf der SAM-Oberfläche zur Bildung einer Ni-Pd-Legierung (sehr dünne Schicht) kommt und Cl sich exklusiv auf der Oberfläche der entstehenden Metalladsorbat-Filme befindet (surfactant-Verhalten). Parallel zu den Metallaufdampfexperimenten, beschäftigten wir uns mit der Synthese von Metall-Nanopartikeln (NP) und ihrer Adsorption auf die SAM-Vorlagen. Es wurden Au und Co NP mit einer Größe von ~10 nm synthetisiert. Die Co NP zeigten dabei eine perfekte krystallographische (hcp) Struktur und eine sehr dünne (1 nm) Oxidhülle. Diese NP waren ferromagnetisch, mit einer Blocking-Temperatur von etwa 380 K, was für die NP dieser Größe ein außergewöhnlich hoher Wert ist (typische Werte sind 130-165 K). Sowohl Au als auch Co NP wurden auf den geeigneten SAM-Vorlagen adsorbiert, wobei die Anbindung der NP an die SAMs entweder chemisch oder elektrostatisch erfolgte. Während die Au NP eine ungeordnete Monolage-Struktur bildete, war die Co NP-Monolage gut geordnet, was höchstwahrscheinlich auf die magnetische Wechselwirkung zwischen den NP zurückzuführen ist. Das beweist auch eine starke senkrechte Anisotropie, die für diese Schichten gemessen wurde. Im Weiteren wurden mit Hilfe der Umtauschlithographie unterschiedliche Au und Co NP Mikro- und Nanostrukturen auf den SAM-Vorlagen präpariert. Diese Strukturen zeigten einen perfekten Kontrast zwischen den NP-bedeckten und unbedeckten Bereichen. Die oben beschriebenen Arbeiten wurden von einer Reihe ergänzender Untersuchungen begleitet, die sich mit den für das Vorhaben relevanten, grundlegenden Fragestellungen befassten. Die erzielten Fortschritte sind ein wesentlicher Schritt in Richtung der Herstellung heterogener metallorganischer Multischichtsysteme und Anordnungen, wobei es noch weiterer Forschungs- und Entwicklungsarbeiten bedarf, um die Verfahren zu verbessern und zu optimieren, was wir gerne im Rahmen eines Nachfolgeprojekts realisieren würden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Energy level pinning in self-assembled alkanethiol monolayers. J. Phys. Chem. C 113, 4575– 4583 (2009)
  Y. Ge, T. Weidner H. Ahn, J. E. Whitten, and M. Zharnikov
  
• Self-assembled monolayers of perfluoroterphenylsubstituted alkanethiols: characteristics and odd-even effects. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 12123-12127 (2010)
  F. Chesneau, B. Schüpbach, K. Szelągowska-Kunstman, N. Ballav, P. Cyganik, A. Terfort, and M. Zharnikov
  
• Compensation of the odd-even effects in araliphatic self-assembled monolayers by nonsymmetric attachment of the aromatic part. J. Phys. Chem. C 115, 2841-2854 (2011)
  J. Dauselt, J. Zhao, M. Kind, R. Binder, A. Bashir, A. Terfort, and M. Zharnikov
  
• Gold nanoparticle patterning on monomolecular chemical templates fabricated by irradiation-promoted exchange reaction. J. Phys. Chem. C 115, 14058–14066 (2011)
  J. Zhao, A. Terfort, and M. Zharnikov
  
• Modification of self-assembled monolayers of perfluoroterphenyl-substituted alkanethiols by lowenergy electrons. J. Phys. Chem. C 115, 4773-4782 (2011)
  F. Chesneau, H. Hamoudi, B. Schüpbach , A. Terfort, and M. Zharnikov