Funktionalisiert organische Schichten

In diesem Projekt sollen physikalische und chemische Eigenschaften von ultra-dünnen Schichten einer neuartigen Klasse von funktionalisierten organischen Molekülen mit photoreaktiven Endgruppen untersucht werden. Dabei soll vor allem die Struktur, Stabilität und Reaktivität dieser dünnen Schichten im Detail untersucht werden und die Möglichkeit erforscht werden, inwieweit man mit diesen Molekülen gut geordnete Schichten (self-assembled monolayers, SAMs) erzielen kann. Wir werden die Reaktivität dieser Schichten und deren Beeinflussung durch UV Bestrahlung für drei verschiedene Fälle untersuchen: a) Das Adsorptionsverhalten von einfachen gasförmigen Molekülen wie Wasser, Kohlenwasserstoffen und Aminen soll untersucht werden, da dies für den Einsatz dieser Schichten in der Sensorik und für die Photolithographie von Interesse ist. b) Die Schichtbildung von Gold und Aluminium auf den funktionalisierten organischen Schichten soll untersucht werden, da dies für die Herstellung von Kontakten bei den organo-elektronischen Bauelementen von Wichtigkeit ist. c) Organische Heteroschichten durch Aufdampfen von aromatischen organischen Materialien (z.B. Oligo-Phenylen) auf den SAM sollen untersucht werden, da bei modernen organischen Elektronikbauelementen typischerweise Heterostrukturen eingesetzt werden. Die meisten Untersuchungen werden unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt und eine Vielzahl von oberflächenanalytischen Techniken werden eingesetzt, wodurch in-situ Untersuchungen der Wachstumskinetik, der Filmstruktur und der Reaktivität unter kontrollierten Bedingungen ermöglicht werden. Die Schichten werden hauptsächlich in-situ durch Aufdampfen im Vakuum hergestellt werden (physical vapour deposition, PVD), es sollen aber auch Oberflächenuntersuchungen an Schichten durchgeführt werden, die ex-situ in Lösungen hergestellt wurden. Als Untersuchungsmethoden werden die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED), Thermische Desorptionsspektroskopie (TDS) und Infrarot Absorptionsspektroskopie (RAIRS) eingesetzt, um die chemische Zusammensetzung, die Struktur, chemische Reaktivität und die UV-Empfindlichkeit der Schichten zu analysieren. Durch Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern werden auch Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Rastertunnelmikroskopie (STM) und Röntgenbeugung (XRD) für die Untersuchungen eingesetzt. Von diesen Untersuchungen erwarten wir ein tieferes Verständnis der grundlegenden Prinzipien der SAM Formierung dieser speziellen Klasse von organischen Molekülen. Dadurch können neue Perspektiven für die Anwendung solcher Filme, z.B. für die Sensorik, Photolithographie, als Schutzschichten und für organo-elektronische Bauelemente im allgemeinen eröffnet werden.

Im Projekt: "Funktionalisierte organische Schichten" wurde versucht, gezielt Schichten aus großen organischen Molekülen herzustellen und zu charakterisieren, die ganz bestimme Funktionen erfüllen können. Es wurden hierzu drei verschiedene Molekülarten untersucht, die jeweils für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden können. Die stäbchenförmigen Moleküle Hexaphenyl, die aus sechs Benzolringen aufgebaut sind, können blaues Licht emittieren und sind deshalb zur Herstellung von Leuchtdioden oder Displays geeignet. Die plättchenförmigen Moleküle, mit dem Kurznamen HATCN, bestehen nur aus Kohlenstoff und Stickstoffatomen, und können zur Herstellung von organischen Transistoren eingesetzt werden. Schließlich wurden auch Alkanthiole mit unterschiedlichen funktionellen Endgruppen untersucht, die für die Sensorik zum Einsatz kommen können, um also ganz bestimme Gase nachzuweisen, z.B. in der Umwelttechnik. Diese letztgenannten Moleküle haben die Eigenschaft, auf geeigneten Oberflächen geordnete Schichten auszubilden, sogenannte SAMs (selbst assemblierte Monolagen). In all diesen Fällen wurden die Anfangsschritte des Schichtwachstums untersucht, also Schichten die nur wenige Nanometer dick sind, was nur etwa einem Zehntausendstel der Dicke eines Haares entspricht. Das charakteristische all dieser Schichten aus organischen Materialien ist, dass sie sehr flexible sind und daher für die Herstellung flexibler elektronischer Bauelemente, wie z.B. flexible Bildschirme und elektronische Zeitungen geeignet sind. Auch wenn diese neuartige Technologie teilweise schon am Markt ist, gibt es noch viele Fragen zu klären, für die die Grundlagenforschung zuständig ist. Um die einzelnen Teilschritte des Schichtwachstums, wie Adsorption, Desorption, Diffusion und Nukleation, gezielt zu untersuchen, müssen alle Experimente unter gut kontrollierten Bedingungen durchgeführt werden, das heißt unter extrem guten Vakuumbedingungen, wie sie im Weltraum herrschen. Die moderne Oberflächenphysik verfügt auch über eine Reihe von analytischen Messmethoden die eingesetzt werden können, um die Schichten gezielt zu untersuchen und um sie dann ganz bewusst manipulieren zu können. Stellvertretend für viele Methoden seien hier nur die Röntgen- Photoelektronenspektroskopie, die Thermische Desorptions-spektroskopie und die Rasterkraftmikoskopie genannt. Insbesondere letztere Methode ermöglicht es wirkliche Abbildungen der Schichtstruktur mit Nanometerauflösung zu machen. So konnten wir zeigen, dass viele dieser Schichten nicht besonders eben sind, sondern eher eine terrassenförmige Struktur aufweisen, ähnlich wie die des steirischen Erzbergs. Die Ursachen für dieses Wachstum konnten wir herausfinden, und die Ergebnisse wurden in der renommierten Zeitschrift "Science" veröffentlicht.