Präparation und Charakterisierung ein- und zwei-dimensionaler optisch aktiver Nanostrukturen mittels Rastersondenlithographie

• Antragsteller: Professor Dr. Christian von Borczyskowski, seit 12/2012; Dr. Harald Graaf, von 4/2007 bis 11/2012
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 36944131

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Sinne des Projektantrags konnten alle wesentlichen Ziele erreicht werden. Die Parameter der AFM basierten Nanolithographie wurden systematisch erfasst. Molekulare Monolagen auf Siliziumoberflächen erwiesen sich als entwicklungsfähiger Baustein für die lithographische Erzeugung von nanostrukturiertem Siliziumoxid. Ein zentraler Bestandteil der Untersuchungen war die Charakterisierung der Ladungen in den erzeugten Strukturen mittels der zunächst nicht vorgesehenen Kelvin-Raster-Sondenmikroskopie. Dadurch konnte nachgewiesen werden, dass insbesondere ionische oder geladene Farbstoffe geeignete Kandidaten für eine erfolgreiche Anbindung (Dekorierung) an die Nanostrukturen darstellen. Die optischen Eigenschaften der angebundenen Farbstoffmoleküle konnten erfolgreich vermessen werde. Insbesondere die von der Arbeitsgruppe Würthner bereitgestellten sperminfunktionalisierter Perylenderivate zeigten neben einer hohen Quantenausbeute auch eine hohe Photostabilität. Darüber hinaus sind sie durch Temperaturvariation und Konzentration in ihren optischen Eigenschaften steuerbar. Insgesamt wurde in der Kombination von Nanolithographie und molekularer Farbstoffdekorierung auch im internationalen Vergleich Neuland beschritten, für das sich erste anwendungsorientierte Folgeprojekte abzeichnen. Allerdings sind weitere experimentelle Anstrengungen erforderlich, um ein molekulares Verständnis der Wechselwirkung der deponierten Farbstoffmoleküle mit den (geladenen) Nanostrukturen zu erhalten. Insbesondere erste zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen sind für zukünftige Untersuchungen vielversprechend. Weiterhin wird angestrebt, unterschiedliche, miteinander wechselwirkende Moleküle (und/oder Nanokristalle) auf den Nanostrukturen gezielt zu deponieren. Auf diese Weise lassen sich neue Erkenntnisse (und möglicherweise Anwendungen) für die Solartechnologie und Sensorik erzielen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Selective binding of dye molecules and CdSe nanocrystals on nanostructures generated by AFM lithography of silicon surfaces, Nanotechnology, 18, 265306 (2007)
  H. Graaf, M. Vieluf, C. von Borczyskowski
  
• Local anodic oxidation on dodecyl terminated silicon (100), Superlattices and microstructures, 44, 402-410 (2008)
  H. Graaf, T. Baumgärtel, M. Vieluf, C. von Borczyskowski
  
• Beyond Cassie’s Law: A Theoretical and Experimental Study of Mixed Alkyl Monolayers, Langmuir, 26, 8301 – 8308 (2010)
  D. Polster, H. Graaf, T. Baumgärtel, C. von Borczyskowski, U. Benedikt, A. Auer
  
• Fluorescence studies of Rhodamine 6G functionalized silicon oxide nanostructures, Nanotechnology, 21, 475205 (2010)
  T. Baumgärtel, C. von Borczyskowski, H. Graaf
  
• Self-assembled monolayers on silicon oxide, phys. status solidi C, 7, 227-230 (2010)
  C. Belgardt, H. Graaf, T. Baumgärtel, C. von Borczyskowski
  
• Effect of chemical termination of self-assembled organic monolayers on the tip induced local anodic oxidation of silicon (100), Thin Solid Films, 519, 3443-3447 (2011)
  T. Baumgärtel, H. Graaf, C. von Borczyskowski
  
• Local Anodic Oxidation Nanolithography on Silicon: Chemical Routes to Functional Nanostructures, in “Lithography: Principles, Processes and Materials”, p. 175-193 (Ed.:T.C. Hennessy), Nova Science Publishers, Hauppauge New York, USA 11788-3619 (2011)
  T. Baumgärtel, H. Graaf
  
• Detection and stability of nanoscale space charges in local oxidation nanolithography, Nanotechnology, 23, 095707 (2012)
  T. Baumgärtel, C. von Borczyskowski, H. Graaf
  
• Advancing and Receding Angles–Dynamic Contact Angle Measurements on Mixed Alkyl Monolayers,Appl. Surf. Sci., 265, 88-93 (2013)
  D. Polster, H. Graaf
  
• Inkjet Printing as a Tool for the Patterned Deposition of Octadecylsiloxane Monolayers on Silicon Oxide Surfaces, Phys. Chem. Chem. Phys.,15, 157494-157504 (2013)
  C. Belgardt, E. Sowade, T. Blaudeck, T. Baumgärtel, H. Graaf, C. von Borczyskowski, R. R. Baumann
  
• Local Charge Storage in Thin Silicon Oxide Films – Mechanisms and Possible Applications, J. Phys. Chem. C, 117, 5358-5363 (2013)
  C. Maedler, H. Graaf
  
• Selective surface modification of lithographic silicon oxide Nanostructures by organofunctional silanes, Beilstein Journal of Nanotechnology, 4, 218-226 (2013)
  T. Baumgärtel, C. von Borczyskowski, H. Graaf
  
• Functional bisimide dyes bound via electrostatic interactions to oxide nanostructures generated by AFM lithography, Appl. Surf. Sci. (2014)
  T. Baumgärtel, S. Rehm, F. Würthner, C. von Borczyskowski, H. Graaf