Oberflächeninduzierte Phasen von Molekülkristallen: Entstehung und Stabilität

Polymorphismus ist ein häufig beobachtet Phänomen in Molekülkristallen, es ist die Eigenschaft eines Moleküls unterschiedliche Kristallstrukturen zu bilden. Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit einer wenig beachteten Ursache von Polymorphismus, dem Einfluss einer Oberfläche zur Kristallisation von Molekülen. Die Bildung oberflächeninduzierter Kristallstrukturen wird anhand spezieller stäbchenförmiger konjugierten Moleküle untersucht, diese Moleküle basieren auf Einheiten von Benzothieno-benzothiophen. Dünne Filme werden mittels unterschiedlicher Techniken hergestellt zum einen Teil durch Aufdampfen in Ultrahochvakuum und zum anderen Teil durch lösungsmittelbasierende Herstellungsverfahren wie Auftropfen und Spincoaten. Die experimentellen Parameter zur Kristallisation werden in einem großen Bereich variiert betreffend die Temperatur, Art der Materialaufbringung, Grad der Übersättigung und die gesamte abgeschiedene Materialmenge. Die Kristallisation wird auf ungeordneten Oberflächen wie Siliziumoxid und Polymeroberflächen durchgeführt, die Oberflächen selbst werden verschiedene Eigenschaften in Bezug auf Oberflächenrauhigkeit, -energie und polarität aufweisen. Die strukturellen Eigenschaften der dünnen Filme werden mittels Methoden der Oberflächenphysik untersucht aber auch Rasterkraftmikroskop, Röntgendiffraktometrie und Infrarotabsorptions-spektroskopie werden angewandt. Ein Teil des Projektes wird sich auch mit der Simulation der molekularen Packung beschäftigen, insbesondere Molekulardynamik wird zur Anwendung kommen. Das Projekt wird Antworten zur Entstehung und Stabilität von oberflächeninduzierten Kristallstrukturen geben. Die Variation der Wachstumsbedingungen wird zeigen welche Präparationsbedingungen für die Bildung oberflächeninduzierter Phasen verantwortlich sind. Untersuchungen zur Bildung der ersten Monolagen werden zeigen, ob die erste Monolage als Benetzungsschicht für das weitere Wachstum von oberflächeninduzierten Kristallstrukturen notwendig ist. Die experimentellen Untersuchungen gemeinsam mit den Simulierungen sollen zeigen welche charakteristische Eigenschaften oberflächeninduzierte Kristallstrukturen aufweisen. In-situ temperaturabhängige Untersuchungen werden zeigen ob oberflächeninduzierte Kristallstrukturen thermodynamisch stabil sind oder wachstumsinduzierte metastabile Zustände darstellen.

Das Projekt befasst sich mit der Suche nach unbekannten Kristallstrukturen die durch Kristallisation auf definierten Oberflächen entstehen. Diese spezifische Klasse von Polymorphismus ist besonders in dünnen Filmen zu beobachten, daher werden diese auch Dünnfilmphasen oder oberflächeninduzierte Kristallstrukturen genannt. Es wurden erfolgreich mehrere bisher unbekannte Kristallstrukturen von Molekülen hergestellt, insbesondere von Molekülen, die in der organischen Elektronik Anwendung finden. Diese Kristallstrukturen wurden entsprechend auf Morphologie und Kristallstruktur untersucht, Methoden unter Verwendung von Röntgenstrahlung aber auch optische Spektroskopie wurden angewandt. Es zeigt sich, dass die oberflächeninduzierten Kristallstrukturen metastabilen Charakter haben. Dies kann für Anwendungen von einigem Interesse, z.B.: für pharmazeutische Moleküle. Dieses Projekt ist allerdings nur ein kleiner Schritt für das Verständnis der Entstehung von oberflächeninduzierten Kristallstrukturen.