Elektrospray-Deposition und rastertunnelmikroskopische Untersuchung unter Ultrahochvakuum von in Lösung synthetisierten Molekülen

Titelangaben

Baier, Felix:
Elektrospray-Deposition und rastertunnelmikroskopische Untersuchung unter Ultrahochvakuum von in Lösung synthetisierten Molekülen.
Bayreuth , 2024 . - 118 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Graphene Nanoribbons (GNRs) haben in den letzten Jahren in der Nanotechnologie und Materialwissenschaft ein erhebliches Interesse geweckt. Diese eindimensionalen Graphen-Strukturen bieten aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Eigenschaften ein großes Potential für die Entwicklung fortschrittlicher Technologien. Insbesondere ihre halbleitenden Eigenschaften machen GNRs zu einem vielversprechenden Kandidaten für die nächste Generation von Mikro- und Nanoelektronik, insbesondere für die Realisierung von Transistoren mit extrem kleinen Dimensionen. GNRs zeichnen sich durch eine kontrollierbare Bandlücke aus, die durch die Breite und die Kantenstruktur der Nanoribbons bestimmt wird. Diese Bandlücke ermöglicht es, das elektronische Verhalten der GNRs präzise zu steuern, was für Halbleiteranwendungen essenziell ist. Aus diesem Grund ist es nötig die GNRs mit atomarer Präzision herzustellen. Für die Synthese von GNRs wird daher häufig ein „Bottom-up“-Ansatz verfolgt, bei dem Precursor-Moleküle auf einer Oberfläche deponiert und anschließend thermisch zu GNRs umgewandelt werden. Dieser Prozess ist als „On-Surface Synthese“ bekannt. Alternativ können GNRs auch in Lösung synthetisiert werden, was Vorteile hinsichtlich Skalierbarkeit, Kosteneffizienz, Substratunabhängigkeit und der Vielfalt an Synthesemechanismen bietet. Einige GNRs können daher ausschließlich durch Lösungssynthese hergestellt werden. Ein zentrales Problem besteht jedoch in der Deposition dieser in Lösung synthetisierten GNRs auf Substraten zur weiteren Analyse. In dieser Arbeit wird daher ein Elektrospray-Verfahren entwickelt und charakterisiert, das speziell für die Deposition von Makromolekülen konzipiert ist. Mit dieser Methode wurden neuartige, in Lösung synthetisierte GNRs erfolgreich auf Au(111)-Substraten deponiert und mittels Rastertunnelmikroskopie analysiert. Poröse Nanographenstrukturen erweisen sich als ein vielversprechendes Material für die Anwendung in Graphen-basierten Feldeffekttransistoren. Diese Strukturen bestehen aus Graphenblättern, die periodische Poren oder Lücken aufweisen, wodurch sie eine einzigartige elektronische Struktur mit einer modifizierten Bandlücke und verbesserten Eigenschaften für Elektronentransport aufweisen. Trotz ihres Potentials existiert bislang keine etablierte Methode zur systematischen Herstellung dieser porösen Strukturen. Die Elektrospray-Deposition bietet hier einen innovativen Ansatz, da sie eine präzise Kontrolle der Oberflächenbedeckung ermöglicht. Durch diese Technik wurden zwei unterschiedliche Arten von innovativen porösen Nanographenstrukturen erzeugt, indem benachbarte, mittels Elektrospray deponierte GNRs kovalent miteinander verschmolzen wurden. Die On-Surface-Synthese GNRs ist substratabhängig, da sie den katalytischen Effekt des Substrats für den Synthese-Prozess benötigt. Diese Abhängigkeit beschränkt die Wahl der Oberflächen, auf denen GNRs hergestellt werden können. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Synthese von GNRs in Lösung eine größere Freiheit bei der Wahl des Substrats für die anschließende Deposition. Mittels der Elektrospray-Deposition können diese in Lösung synthetisierten GNRs effektiv auf eine Vielzahl von (funktionalen) Oberflächen aufgebracht werden, unabhängig von deren chemischen oder physikalischen Eigenschaften. Dieser Vorteil wird insbesondere am Beispiel einer Te/Au(111)-Oberfläche deutlich, die aufgrund ihrer stark abweisenden Eigenschaften für die On-Surface-Synthese von GNRs ungeeignet ist. Eine weitere Molekülklasse, deren Untersuchung auf Oberflächen ein großes Potential für technische Anwendungen hat, sind Spin Crossover (SCO)-Komplexe. Diese haben ebenfalls das Problem, dass sie nicht sublimierbar sind. Durch die Elektrospray-Deposition konnten SCO-Verbindungen auf Au(111) abgelegt werden, die sich zu extrem geordneten Strukturen zusammenfinden. Dabei konnte ein klarer Zusammenhang zwischen dem SCO-Verhalten der jeweiligen Komplexe und der Anordnung der entsprechenden Nanostrukturen festgestellt werden.

Abstract in weiterer Sprache

Graphene Nanoribbons (GNRs) have garnered significant interest in nanotechnology and materials science in recent years. These one-dimensional graphene-structures exhibit unique electronic properties, making them promising candidates for advanced technologies, especially in micro and nanoelectronics, such as extremely small transistors. The controllable band gap of GNRs, determined by their width and edge structure, allows for precise control of their electronic be havior, essential for semiconductor applications. Therefore, GNRs need to be synthesized with atomic precision. Commonly, a bottom-up approach is used, where precursor molecules are deposited on a surface and then thermally converted to GNRs, a process known as on-surface synthesis. Alternatively, GNRs can be synthesized in solution, offering benefits in scalability, cost-efficiency, substrate independence, and variety in synthesis mechanisms, with some GNRs exclusively producible through solution synthesis. Akey challenge, however, is the deposition of these solution-synthesized GNRs onto substrates for further analysis. This work develops and characterizes an electrospray method specifically designed for the deposition of macromolecules. Using this method, novel solution-synthesized GNRswere successfully deposited on Au(111) substrates and analyzed using scanning tunneling microscopy. Porous nanographene structures, consisting of graphene sheets with periodic pores or gaps, show great promise for use in graphene-based field-effect transistors. Despite their potential, no established method exists for systematically producing these porous structures. The electrospray deposition technique offers an innovative approach by allowing precise control of surface coverage. Using this technique, two different types of innovative porous nanographene structures were created by covalently fusing adjacent electrospray-deposited GNRs. The on-surface synthesis of GNRs is substrate-dependent, requiring the catalytic effect of the substrate for the synthesis process. This limits the choice of surfaces for GNR fabrication. In contrast, GNRs synthesized in solution allow greater freedom in choosing substrates for subsequent deposition. Electrospray deposition enables effective placement of these solution-synthesized GNRsonto a variety of (functional) surfaces, regardless of their chemical or physical properties. This advantage is particularly evident with a Te/Au(111) surface, unsuitable for on-surface synthesis of GNRs due to its highly repelling properties. Another molecule class with great potential for technical applications on surfaces are Spin Crossover (SCO) complexes, which also face the problem of being non-sublimable. Through electrospray deposition, SCO compounds were deposited on Au(111), forming extremely ordered structures. A clear correlation was observed between the SCO behavior of the complexes and the arrangement of the corresponding nanostructures.