Lösung von oberflächeninduzierten Kristallstrukturen

In dünnen Filmen bilden konjugierte Moleküle bestimmte Kristallstrukturen die zum Teil Gleichgewichtsstrukturen (die Strukturen von makroskopischen Einkristallen) sind aber auch metastabile Strukturen sein können. Derartige metastabile Strukturen entstehen durch das Vorhandensein einer Oberfläche während des Kristallwachstums des dünnen Filmes , man bezeichnet derartige Strukturen auch als oberflächeninduzierte Phasen. Im Rahmen des vorliegenden Projektes soll unter zur Hilfenahme von dünnen Filmen eine experimentelle Methode zur Lösung von Kristallstrukturen entwickelt werden. Diese neue Methode berücksichtigt die ausgeprägte Textur von Molekülkristallen in dünnen Filmen, da diese auf isotropen Substraten als zweidimensionale Pulver vorliegen. Mittels dieser Methodik kann die Kristallstruktur von oberflächeninduzierten Phasen gelöst werden, mit den bisher verfügbaren Methoden zur Bestimmung von Kristallstrukturen ist dies nicht möglich. Als experimentelle Methode wird Röntgenbeugung unter streifenden Einfall verwendet. Aus den experimentellen Daten werden sowohl die kristallographische Einheitszelle als auch die kristallinen Strukturfaktoren bestimmt. Die Strukturfaktoren werden mittels Rietveldverfeinerungsmethoden weiter verwendet um die molekulare Packung der Kristallstruktur zu bestimmen wobei die chemische Struktur der Moleküle als Eingangsparameter verwendet wird. Eine Überprüfung der experimentellen Lösungen wird durch theoretische Rechnungen durchgeführt. Die theoretischen Rechnungen basieren auf "force field calculations" unter Verwendung der experimentell bestimmten Gitterkonstanten. Die Rechnungen erlauben einen Vergleich der energetischen Stabilität der oberflächeninduzierten Phasen mit den Gleichgewichtsstrukturen. Mittels in-situ Untersuchungen wird der Einfluss von Temperatur auf die Kristallstrukturen untersucht, insbesondere wird die Temperaturstabilität der einzelnen Kristallstrukturen bestimmt. Diese experimentellen Ergebnisse werden wiederum mit theoretischen Rechnungen basierend auf "quasi-harmonic lattice dynamics" verglichen. Im ersten Schritt wird die oberflächeninduzierte Phase von Sexithiophene und auch die Temperaturstabilität der oberflächeninduzierten Phase von Pentazen (die sogenannte Dünnfilmphase) untersucht. Die Kristallstrukturen beider Materialien sind für deren Anwendungen als Transistormaterial in der organischen Elektronik von entscheidender Wichtigkeit. In einem weiteren Schritt werden alkyl-substituierte Terthiophen- und Phthalocyaninmoleküle untersucht. In einem letzten Schritt wird versucht inwieweit die Methodik zu Kristallstrukturbestimmung auch an dem Polymer poly(3-hexylthiophen) und an thermotrophen Flüssigkristallen angewendet werden kann.

Molekülkristalle haben eine starke Tendenz zu polymorphen Kristallstrukturen. Der Kristallisationsprozess auf Oberflächen hat in vielen Fällen die Entstehung von sogenannten oberflächeninduzierten Phasen oder Dünnfilmphasen zur Folge. Im Rahmen des Projektes wurde eine Methode zur Lösung von Kristallstrukturen basierend auf der Untersuchung dünner organischer Filmen entwickelt. Die angewandte experimentelle Methode ist die Beugung von Röntgenstrahlung unter streifendem Einfall. Eine spezielle Software zur Darstellung der experimentellen Daten, zur Indizierung von Beugungspeaks und zur Extraktion von wichtigen Quantitäten des Experiments wie Intensitäten und Lagen von Braggpeaks wurde erstellt. Es wurden vorwiegend dünne Filme von länglichen starren Molekülen untersucht wie Pentazen, Sexithiophen, Terthiophen und Derivate dieser Moleküle. Einige Ergebnisse wurden auch an scheibchenförmigen Molekülen erarbeitet. Verschiedene Vorgangsweisen wurden entwickelt, jedoch alle basieren auf einer Indizierung des Kristallgitters basierend auf experimentellen Ergebnissen. Zur Bestimmung der molekularen Packung wurden sowohl theoretische Methoden verwendet als auch die experimentell bestimmten Intensitäten der Bragg Peaks. Beide Methoden konnten erfolgreich angewandt werden. Die Resultate des Projektes sind sowohl für wissenschaftliche als auch für technologische Anwendungen von dünnen organischen Filmen von Relevanz. So sind zum Beispiel oberflächeninduzierte Kristallstrukturen in der organischen Elektronik von besonderer Wichtigkeit.