Maßgeschneiderte Polymere als Saattemplate für die Synthese fluoreszierender Nanodiamanten

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Ziener
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438523753

• Es wird ein Verfahren für die kontrollierte Herstellung von fluoreszierenden sub-10-nm Nanodiamanten (NDs) mittels polymerer Saatmoleküle entwickelt. Die Polymere enthalten Adamantyl- und verwandte diamantoide Einheiten, um einen effizienten Nukleations- und Wachstumsprozess zu ermöglichen. Außerdem kommen Heteroatom-haltige Monomere (hauptsächlich N, aber auch Si und Ge) zur Anwendung, um Heteroatom-Fehlstellen kontrolliert einzuführen (Ort und Zahl). • Die Saatpolymere werden in einem Hoch-Druck-Hoch-Temperatur-Verfahren (HPHT) mit „reaktiven Kohlenwasserstoffen“ (Isocetan/Tetracosan) als Kohlenstoffquelle zur Erzeugung der NDs eingesetzt. Dieser Prozess ist für kleine Moleküle als Template beschrieben und wurde von uns auch schon für Polymertemplate angewandt.• Fehlstellen werden in die NDs durch Elektronenbeschuss oder Ionenimplantation eingeführt. Die thermische Nachbehandlung soll bei etwa 800 °C im Vakuum oder unter Inertgas gemäß Standardbedingungen durchgeführt werden. • Die erhaltenen NDs werden mit Elektronenmikroskopie und optischer Mikroskopie mittels Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie auf die Art der Fehlstellen (NV, SiV, GeV), Quantenausbeute und Lebenszeit untersucht, wodurch Informationen über die Konzentration der Defekte erhalten wird. An ausgewählten Proben werden wir Autokorrelationstechniken einsetzen und bei NDs mit einzelnen Farbzentren magneto-optische Effekte untersuchen.In den Polymeren können die Templateinheiten in hoher Konzentration eingesetzt und ihre räumliche Anordnung kontrolliert werden. Dies erlaubt einen präzisen Einbau von Defekten. Die Ausbeute und Qualität der NDs wird dadurch stark verbessert im Vergleich zu Kleinmolekültemplaten. Die spezifischen Ziele des Projektes sind mit zunehmender Komplexität:1. Herstellung von (Hetero-)adamantyl-Monomeren und PolymerenEs werden Saatpolymere mit definierter monomodaler und enger Molekulargewichtsverteilung und unterschiedlichen N-, Si- und Ge-haltigen Adamantyl-Monomeren synthetisiert, die ideale Keimbildner für den HPHT-Prozess bilden. 2. Erzeugung hoch fluoreszierender und stabiler NDs mit mehreren FarbzentrenÜber die in die Polymere eingebaute Menge an Aza-, Sila- und Germaadamantyl werden die Heteroatom-Fehlstellen kontrolliert. Bei den NV-Zentren werden wir die Art der Zentren (NV0 oder NV-) über die Elektronenbeschleunigungsspannung und die Nachbehandlungstemperatur steuern. 3. Präparation kleiner NDs mit einzelnen FarbzentrenÜber eine Endgruppenfunktionalisierung mit Aza-, Sila- oder Germaadamantan bzw. Derivaten werden wir einzelne Heteroatome in die polymeren Templatmoleküle einführen, die letzten Endes ermöglichen, NDs im Bereich weniger Nanometer mit einzelnen Farbzentren z. B. als Quantensensoren zu synthetisieren.Das Projekt soll einen neuen Goldstandard für die Herstellung von fluoreszierenden Nanodiamanten durch einen selbstorganisierten Prozess etablieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Diamantambosszelle mit Zubehör
• Gerätegruppe: 0850 Höchstdruckpressen, Tetraederpressen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Alexander Kühne