Quantitative hochaufgelöste Rasterkraftmikroskopie von organischen Verbindungen mit Kupferoxid-funktionalisierten Spitzen

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Fuchs; Privatdozent Dr. Harry Mönig
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 380115295

Durch Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie (NC-AFM) konnten durch die Funktionalisierung von Messspitzen in den letzten Jahren beeindruckende Ergebnisse erzielt werden. Durch das gezielte Aufnehmen einzelner Moleküle oder Atome (CO oder Xe) von der zu untersuchenden Oberfläche, konnte eine drastische Steigerung der Auflösung erreicht, und so die innere Bindungsstruktur von organischen Molekülen abgebildet werden. Während dieser Ansatz zu einem bahnbrechenden Fortschritt in der organischen (Oberflächen-) Chemie geführt hat, neigen diese Messsonden jedoch zu lateralen Auslenkungen. Insbesondere führt ihre Flexibilität zu erheblichen Bildverzerrungen, zur systematischen Überschätzung der Bindungslängen, sowie zum Auftreten von virtuellen Bindungen, was zu erheblichen Unsicherheiten bei der Dateninterpretation geführt hat.In Vorarbeiten haben wir gezeigt, dass durch das kontrollierte Eintauchen einer Spitze in eine oxidierte Cu-Oberfläche, eine O-terminierte (CuO) Spitze generiert werden kann. Das O Atom ist dabei durch seine kovalente Bindungskonfiguration besonders stabil gebunden, wodurch laterale Auslenkungen im repulsiven Kraftbereich weitgehend vernachlässigt werden können. Diese vielversprechenden Ergebnisse bilden die Basis für das vorliegende Projekt, mit dem wir die Eigenschaften von CuO-funktionalisierten Spitzen im Hinblick auf ihre besondere strukturelle Stabilität untersuchen. Wir werden systematisch die Grenzen der Genauigkeit bei der quantitativen Bestimmung von Bindungslängen in organischen Molekülen bestimmen. Durch Messungen an spezifischen molekularen Modellsystemen, werden wir außerdem die Problematik von virtuellen Bindungen analysieren. Die Kernfrage ist, können für CuO Spitzen intermolekulare Kontrastartefakte ausgeschlossen, und damit eine eindeutige Zuweisung von Bindungsstrukturen in organischen Aggregaten wie Wasserstoffbrückenbindungen erreicht werden? In einem weiteren Schwerpunkt des Projekts werden einzelne Moleküle entlang bestimmter Kristallrichtungen verschoben. Solche NC-AFM Experimente erlauben es, die quantitativen Schwellwerte für vertikale und laterale Kräfte bei Verschiebeprozessen zu bestimmen. Ihre Durchführung mit wohldefinierten CuO Spitzen ist für das Projekt von zentraler Bedeutung, da dadurch die Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Experimenten sowie mit theoretischen Modellen drastisch verbessert wird. Schließlich untersuchen wir Moleküle mit verschiedenen inhärenten elektrischen Dipolen, die senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichtet sind. Hierbei wird das 3-dimensionale (quantitative) Dipol Kraftfeld zwischen der CuO Spitze und den polaren Molekülen abgebildet (3D NC-AFM). Diese Messungen werden mit Experimenten mit konventionellen CO Spitzen verglichen.Die Ergebnisse unseres Projekts sind für ein umfassendes Verständnis von NC-AFM Kontrastmechanismen hoch relevant und zielen darauf ab, die CuO Spitze als Benchmark Sonde für quantitative, hoch-aufgelöste Experimente zu etablieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China, Spanien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Lifeng Chi; Professor Dr. Yongjun Li; Professor Dr. Rubén Pérez; Professor Dr. Xiahui Qiu