Oberflächensynthese von regulären 2D Polymeren - Neuartige Strukturen, Eigenschaften und Synthesewege

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Markus Lackinger
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415284307

Projektziel ist die Entwicklung, Erforschung und Etablierung neuartiger Methoden für die Synthese regulärer funktionaler 2D Polymere auf inerten Festkörperoberflächen unter Ultrahochvakuum-Bedingungen. Im ersten Teil erfolgen die Synthesen durch die direkte Abscheidung von Poly-Radikalen, die mittels Additionen auf den Oberflächen zu C-C gebundenen Netzwerken reagieren. Die Radikale werden in einer Radikal-Abscheidungs-Quelle (RAQ) aus Vorläufermolekülen bei der Deposition durch die Abspaltung von Halogen-Substituenten erzeugt. Eine neu konzipierte RAQ mit integrierter Kühlstufe reduziert die thermische Energie der Poly-Radikale soweit, dass sie stationär auf schwach wechselwirkenden Oberflächen adsorbieren. Dabei lässt die Kombination von hoher Mobilität der Monomere und den im Vergleich zu konventionell verwendeten Metalloberflächen relativ niedrigen Reaktionstemperaturen das Wachstum von 2D Polymeren mit herausragender Strukturqualität erwarten. Die Synthesen konzentrieren sich auf graphitische Oberflächen und die strukturelle Charakterisierung der 2D Polymere erfolgt primär durch hochauflösende Raster-Sonden-Mikroskopie.Die Auswirkungen der Molekülstruktur und der wichtigsten Reaktionsparameter Abscheidungsrate und Reaktionstemperatur auf die Strukturqualität werden zunächst grundlegend an Polyphenylen 2D Polymeren studiert. Auf diesen Erfahrungen baut die Synthese funktionaler 2D Polymere auf: Konjugierte 2D Polymere werden aus Thiophen-basierten Monomeren hergestellt und ihre elektronische Struktur lokal mittels Tunnelspektroskopie und global mittels Photoelektronenspektroskopie untersucht. Porphyrin-basierte 2D Polymere werden aus etablierten Tetraphenylporphyrin Vorläufern synthetisiert und post-synthetisch mittels Metallierung auf der Oberfläche funktionalisiert. Abschließend wird die Synthese des Kohlenstoff-Allotrops Graphdiyene mittels direkter Abscheidung von Radikalen erforscht. Da halogenierte Vorläufer zu instabil sind, wird hier die Eignung von Trimethylsilyl als alternative Abgangsgruppe untersucht.Im zweiten Projektteil wird als neuartiger Syntheseansatz die thermische Aktivierung der Reaktionen in einer Edelgas-Atmosphäre anstatt der üblichen Vakuumbedingungen erforscht. Die resultierende Erhöhung der Desorptionstemperaturen ermöglicht Reaktionen auf Oberflächen, die bisher an der vorzeitigen Desorption der Edukte scheiterten. Es werden zwei Modellreaktionen untersucht: (1) Die Kondensation von Melem für die Oberflächensynthese von Kohlenstoff Nitriden. Nach grundlegenden Versuchen zu den Reaktionsbedingungen, sollen reguläre Kohlenstoff Nitride durch die Reaktionsführung unter reversiblen Bedingungen erzielt werden. (2) Die Deprotonierung von Thiolen auf inerten Oberflächen mit dem Ziel Disulfid-gebundene 2D Polymere herzustellen. Dynamische kovalente Chemie soll dabei die Equilibrierung zu regulären Strukturen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen