Untersuchung des zweidimensionalen Halbleiters h-BCN

• Antragsteller: Professor Dr. Axel Enders
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412007813

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projekts war die grundlegende Erforschung eines neuartigen, bis zur Antragstellung wenig bekannten 2D-Halbleitermaterials, h-BCN. Dabei stützte sich der Antrag auf umfangreiche Voruntersuchungen mittels Rastertunnelmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie durch den Antragsteller und seinen Kollaborationspartnern. Es wurde erwartet, daß h-BCN aufgrund seiner strukturellen und elektronischen Eigenschaften vielversprechende Anwendungen in elektronischen Bauteilen eröffnen würde. Es ergaben sich sich jedoch bei im Rahmen dieses Antrags durchgeführten Messungen während Nutzermesszeit an der Swiss Light Source neue Daten, die bisherige Schlussfolgerungen zur zur Struktur von h-BCN widerlegten. Es konnte insbesondere nachgewiesen werden, dass beim Wachstum durch chemical vapor deposition unerwartet andere 2D-Materialien, wie Graphen und h-BN, gleichzeitig und dominant mit entstehen, so dass h-BCN nicht wie ursprünglich gehofft für die geplanten Experimente zur Verfügung stand. Weiterführende Berechnungen zeigten, daß Graphen und h-BN zum einen thermodynamisch stabiler sind, zum anderen, daß die verwendeten Precursor-Moleküle thermisch nicht ausreichend stabil sind für den vorgesehenen Syntheseweg. Aus letzterem Grund wurde von der geplanten Vorgehensweise abgewichen und im Rahmen des fortschreitenden Projektverlaufs alternativ eine preiswerte Elektrospray- Depositions-Methode zur Abscheidung dieser, und anderer, fragilen Precursor-Moleküle entwickelt und angewendet. Die allgemeine Anwendbarkeit dieser Methode zur Deposition großer, thermisch unstabiler Molekülkomplexe auf nahezu beliebigen Substraten wurde untersucht. Eine wesentliche Besonderheit der Experimente war dabei die konsequente Kombination von in-situ (im Ultrahochvakuum) und ex-situ (Glovebox) – Arbeitsmethoden mithilfe eigens für diese Anwendung aufgebauter Transfersysteme zwischen einer Glovebox und einer UHV-Apparatur. Wesentliche neuartige Ergebnisse des Projekts sind (i) der direkte Nachweis erfolgreicher on-surface Synthese von verschiedenen Graphen Nanoribbons, einschliesslich von hetero-GNR, durch Elektrospray-Deposition der Precursor, Precursor-Gemische, und erstmalig großer Polymerketten für die GNR-Synthese; (ii) Strukturbildung von spin crossover complexen, SCO, auf Oberflächen, (iii) erstmalige Herstellung von oberflächen-gestützten Nanostrukturen aus dem organischen Halbleiter Y6. Der entscheidende Vorteil dieser Methode besteht darin, dass organische Materialien, die nur in Lösung hergestellt werden können, jetzt oberflächenspezifischen Methoden zugänglich gemacht werden können, u.a. unter Ausnutzung von Kopplungsmechanismen, die auf Oberflächen nicht möglich sind. Die Bedeutung dieser Ergebnisse ergibt sich zusätzlich daraus, dass das Elektrospray-Verfahren absolut geeignet ist, auf industrielles Anforderungsniveau skaliert zu werden, um die Anwendung verschiedener Nanomaterialien in Bauteilen zu ermöglichen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Structure Formation and Coupling Reactions of Hexaphenylbenzene and Its Brominated Analog. ChemPhysChem, 22(17), 1769-1773.
  Teeter, Jacob D.; Costa, Paulo S.; Dobner, Christoph; Sarker, Mamun; Sinitskii, Alexander & Enders, Axel
  
• Diffusion-controlled on-surface synthesis of graphene nanoribbon heterojunctions. RSC Advances, 12(11), 6615-6618.
  Dobner, Christoph; Li, Gang; Sarker, Mamun; Sinitskii, Alexander & Enders, Axel
  
• On-surface GNR fabrication via electrosrpray deposition of monomers and polymers from solution. DPG- Tagung Regensburg, 2022
  F. Baier, C. Dobner, M. Beckstein, M. Sarker, A. Sinitski & A. Enders
  
• Two Great Projects on Surface-Supportd Graphene Nanoribbons. Poste, Symposium on Surface Science, St. Christoph/Arlberg, Austria, 2022
  A. Enders, C. Dobne, F. Baier, M. Beckstein, M. Sarker & A. Sinitskii
  
• On-surface GNR fabrication via electrospray deposition of monomers and polymers from solution. MS+M Frontiers in Native Mass Spectrometry & Single Molecule Imaging Conference, Oxford, 2023
  F. Baier, M. Sarker, C. Dobner, A. Sinitskii & A. Enders
  
• Elektrospray-Deposition und rastertunnelmikroskopische Untersuchung unter Ultrahochvakuum von in Lösung synthetisierten Molekülen. Dissertation, Universität Bayreuth
  Felix Baier
  
• Porous Nanographenes, Graphene Nanoribbons, and Nanoporous Graphene Selectively Synthesized from the Same Molecular Precursor. Journal of the American Chemical Society, 146(21), 14453-14467.
  Sarker, Mamun; Dobner, Christoph; Zahl, Percy; Fiankor, Christian; Zhang, Jian; Saxena, Anshul; Aluru, Narayana; Enders, Axel & Sinitskii, Alexander