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Forschungsarbeit

von Stefan Schlögl (21.08.2012)

Die Entdeckung von Graphen im Jahre 2004 führte zu einer Vielzahl neuer Applikationen und Erkenntnisse im Bereich zwei-dimensionaler Molekülstrukturen mit der Dicke von nur einer Atomlage. Um abseits der klar definierten mechanischen und elektrischen Eigenschaften wie Elastizitätsmodul und Bandlücke von Graphen hinaus maßgeschneidert Lösungen für z.B. neuartige Halbleiterstukturen oder Lichtemittierende Dioden zu fertigen, sind alternative Ansätze in der Synthese von zwei-dimensionalen Polymeren nötig. Hier setzt die sog. Bottom-Up Synthese an, also das maßgeschneiderte Zusammensetzen einzelner Moleküle und Atome in eine periodische Anordnung, um vorab definierte Eigenschaften zu erhalten.

Selbst sieben Jahre nach der Entdeckung von Graphen lassen sich noch keine makroskopisch ausgedehnten Schichten synthetisieren, um eine großtechnische Produktion von Halbleitermaterialien auf Graphenbasis herzustellen. Alternative Syntheseansätze für neuartige Materialen stecken noch mehr in den Kinderschuhen und werden noch viele Jahre der Grundlagenforschung erfordern, bis erste kommerziell erhältliche Produkte verfügbar sind [1]. Nichtsdestotrotz lassen sich Anwendungen ersinnen, die speziell auf maßgeschneiderte zweidimensionale Polymere zugeschnitten sind (siehe Abb. 1).

Abbildung 1: Mögliche Anwendung maßgeschneiderter 2D Polymere in der Halbleitertechnik (links) oder als Nanovorlage mit genau definierter Porengröße (rechts), um Metallcluster bestimmter Größe für optische Anwendungen periodisch anzuordnen.[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 1: Mögliche Anwendung maßgeschneiderter 2D Polymere in der Halbleitertechnik (links) oder als Nanovorlage mit genau definierter Porengröße (rechts), um Metallcluster bestimmter Größe für optische Anwendungen periodisch anzuordnen.

Neben Graphen (zweidimensionale Schichten von Kohlstoffatomen in einer hexagonalen Periodizität) als eine Kohlenstoffmodifikation existieren prinzipiell beliebig viele weitere zweidimensionale Polymere. Ein artverwandter Vertreter ist das sog. Phenylen-Boroxine (siehe Abb. 2c). Hierbei besteht das Ausgangsmolekül (Abb. 2a) aus einem Boroxinring, aufgebaut aus je drei Bor- und Sauerstoffatomen, an den in einer 120° Symmetrie drei Phenylringe mit je zwei Bromatomen als funktionellen Gruppen angebunden sind.
Die Bottom-Up Synthese erfolgt unter kontrollierten Ultrahochvakuumbedinungen auf einkristallinen Metalloberflächen [2]. Hierbei werden passende planare Moleküle auf die Oberfläche gebracht, auf welcher sich die einzelnen Moleküle anordnen. Nach dem Überwinden der Aktivierungsbarriere durch erhöhte Temperatur oder durch die katalytischen Substrateigenschaften spalten sich in einem ersten Schritt die Basiseinheiten von den funktionellen Gruppen ab (Abb. 2b) und vernetzen sich in einem letzten Schritt kovalent zu Polymeren (Abb. 2c).

 

Abbildung 2: Syntheseweg von Phelylen-Boroxine: Vom Ausgangsmolekül (a) über katalytische Aktivierung von Radikalen (b) zum zweidimensionalen Polymer (c).[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 2: Syntheseweg von Phelylen-Boroxine: Vom Ausgangsmolekül (a) über katalytische Aktivierung von Radikalen (b) zum zweidimensionalen Polymer (c).

Meine Forschungsarbeit beinhaltet schwerpunktmäßig die systematische Untersuchung und Charakterisierung verschiedener Einflussparameter auf die Synthese. Hierzu zählen Abhängigkeiten von der Temperatur, der Substratoberfläche, den chemischen Eigenschaften der funktionellen Gruppe oder dem Aufbau und der Topologie der Moleküle. Die Charakterisierung erfolgt mittels eines Rastertunnelmikroskops, welches eine atomare Auflösung der Polymere ermöglicht [3]. 

So wurde in einem Projekt die Abhängigkeit der Vernetzung der einzelnen Moleküle von der Bindungstopologie und Molekülgröße untersucht und zweidimensionale Polymere nach dem Reaktionsschema aus Abb. 2 auf einer Silberoberfläche realisiert und charakterisiert (siehe Abb. 3). Es liegen zwar weitreichende lose zusammenhängende Strukturen auf der Oberfläche vor, jedoch sind einzelne Domänengrößen noch im Bereich von wenigen Nanometern. Als Erfolg kann jedoch die sehr geringe Defektdichte angesehen werden, da zu einem überwiegenden Teil sechs Konstituenten (Phenylringe und Boroxinringe) eine Pore des 2D Polymers formen [4]. Erst diese Regelmäßigkeit führt zu den vorab gewünschten Eigenschaften einer genau definierten Bandlücke.

Abbildung 3: Das zweidimensionale Polymer Phenylen-Boroxin mit Domänengrößen im Bereich von 10nm.[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 3: Das zweidimensionale Polymer Phenylen-Boroxin mit Domänengrößen im Bereich von 10nm.

Mit meiner Forschungsarbeit trage ich zu grundsätzlichen Erkenntnissen über die Synthese von zweidimensionalen Polymeren auf Molekülebene bei. Dies soll das Gesamtverständnis fördern, um maßgeschneiderte Molekülstrukturen makroskopischer Ordnung für Anwendungen realisieren zu können.

 

Referenzen:

[1] Sakamoto, J.; van Heijst, J.; Lukin, O. & Schlüter, A., Angew. Chem., Int. Ed., 2009, 48, 1030-1069.

[2] Mas-Balleste, R.; Gómez-Navarro, C.; Gómez-Herrero, J. & Zamora, F., Nanoscale, The Royal Society of Chemistry, 2011, 3, 20-30.

[3] Stipe, B. C.; Rezaei, M. A. & Ho, W., Rev. Sci. Instrum., AIP, 1999, 70, 137-143.

[4] Schlögl, S.; Sirtl, T.; Eichhorn, J.; Heckl, W. M. & Lackinger, M., Chem. Commun., The Royal Society of Chemistry, 2011, 47, 12355-12357

 


Stationen
  • 09/2011 - 11/2011
  • Visiting Assistant in Research (VAR) an der Yale Universität, New Haven, CT, USA bei Prof. Eric Altman
  • 05/2010 - 04/2012
  • Forschungsstipendiat des Elitenetzwerks Bayern
  • seit 09/2009
  • Promotion in der Arbeitsgruppe von PD Dr. Markus Lackinger, TU München, Schwerpunkt Oberflächenphysik
  • 10/2003 - 04/2009
  • Studiengang Physik mit Abschluss Diplom, LMU München, Schwerpunkt Festkörperphysik und Materialwissenschaften

Publications
  • H. Walch, J. Dienstmaier, G. Eder, R. Gutzler, S. Schlögl, T. Sirtl, K. Das, M. Schmittel und M. Lackinger: "Extended Two-Dimensional Metal-Organic Frameworks Based on Thiolate-Copper Coordination Bonds".
  • Journal of the American Chemical Society, 133, 7909-7915, 2011.
  • J. Eichhorn, S. Schlögl, B.V. Lotsch, W. Schnick, W.M. Heckl und M. Lackinger: "Self-assembly of melem on ag(111)-emergence of porous structures based on amino-heptazine hydrogen bonds".
  • CrystEngComm, 13, 5559-5565, 2011.
  • G. Eder, S. Schlögl, K. Macknapp, W.M. Heckl und M. Lackinger: "A combined ion-sputtering and electron-beam annealing device for the in vacuo postpreparation of scanning probes".
  • Review of Scientic Instruments, 82(3), 033701, 2011.
  • S. Schlögl, T. Sirtl, J. Eichhorn, W.M. Heckl und M. Lackinger: "Synthesis of two-dimensional phenylene-boroxine networks through in vacuo condensation and on-surface radical addition".
  • Chemical Communications, 47, 12355-12357, 2011.
  • S. Schlögl, W.M. Heckl und M. Lackinger: "On-surface radical addition of triply iodinated monomers on Au(111) – the influence of monomer size and thermal post-processing".
  • Surface Science, DOI: /10.1016/j.susc.2012.02.011, 2012.