Selbstorganisirende Thiol Monoschichten

In den letzten Jahren sind selbstorganisierende Monoschichten (SAM = Self Assembling Monolayers) in den Blickpunkt der Forschung gerückt. Die bei weitem am besten untersuchten Systeme sind hierbei Thiole auf einkristallinen Au(111) Oberflächen. Der große Vorteil dieses Systems ist die einfache Herstellbarkeit der Monolagen welche sich innerhalb weniger Stunden aus einer Lösung heraus auf der Goldoberfläche aufbauen.

In unserem Arbeitskreis werden Thiol Monolagen auf Au(111) Oberflächen mittels XPS, STM und elektrochemischen Methoden untersucht. Unser Arbeitskreis arbeitet zurzeit in diesem Zusammenhang an zwei Projekten:

1)      Erforschung der Leitfähigkeit und der Redox-Eigenschaften von Thiol Monolagen auf Au(111):

Bei diesem Projekt, welches von der VW Stiftung unterstützt wird, werden Thiole mit einer Ferrocen Kopfgruppe als intramolekularem Redox-System auf ihre Eignung für die Nanotechnologie untersucht. Durch eine Änderung des Oxidationszustandes der Ferrocen-Gruppe soll eine Änderung des Kontaktwinkels eines Flüssigkeitstropfens auf der Oberfläche erreicht werden. Wichtig für die Geschwindigkeit der Redox-Reaktion ist dabei die Struktur der Kette des Thiolmoleküls, insbesondere die Anzahl der Doppelbindungen in der Kette (Abb. 1).

Abb. 1: Einige der vorhandenen Thiolmoleküle mit intramolekularem Redox-System

Eine weitere Gruppe von Thiolen in diesem Rahmengebiet verfügt über eine aromatische Kopfgruppe welche durch ein unterschiedlich langes, konjugiertes p – Elektronensystem in der Kette des Thiolmoleküls fortgesetzt wird. Die Auswirkung der Anzahl der konjugierten Doppelbindungen auf die Leitfähigkeit der SAM ist hierbei von Interesse (Abb. 2).

Abb. 2: Auswirkung der Anzahl der Doppelbindungen in der Thiolkette auf die Tunneldistanz der Elektronen.

Je niedriger die Distanz desto wahrscheinlicher wird ein Übergang und die Leitfähigkeit der Thiol SAM steigt an.

Im Rahmen dieses Projektes werden elektrochemische Messungen zur Bestimmung der elektrochemischen Eigenschaften der SAMs und ihrer Inhibitionswirkung, XPS zur Bestimmung der Oberflächenorientierung der Moleküle und der Oxidationszustände des Redox-Systems sowie STM zur Untersuchung der SAM-Struktur verwendet. Die Schutzwirkung einer sich auf der Goldoberfläche befindenden SAM lässt sich in Abb. 3 sehr gut an den, im Gegensatz zu einer nicht mit einer SAM bedeckten Oberfläche, stark erniedrigten Stromdichten erkennen. Hierbei wird die Goldoxidbildung bei E > 1.0 V (SHE) und die Sauerstoffentwicklung bei E > 1.5 V (SHE) unterdrückt.

Abb. 3: Bedeckte und unbedeckte Goldoberfläche in Perchlorsäure (HClO4), die Schutzwirkung der SAM ist sehr gut erkennbar.

2)      Modifikation von bereits adsorbierten Thiolen auf einer Au(111) Oberfläche:

Bei diesem Projekt wird die Möglichkeit der Modifikation von bereits auf einer Goldoberfläche adsorbierten Thiolen untersucht. Von besonderem Interesse hierbei ist Anbindung einer zweiten Thiolgruppe in die bereits adsorbierten Thiole der Monoschicht. Hierdurch wird es möglich weiteres Gold auf der Außenseite der SAM abzuscheiden und damit die Leitfähigkeit der Thiole mittels z.B. STM direkt zu messen. Die schematische Reaktionssequenz ist in Abb. 4 gezeigt.

Im Rahmen dieser Arbeit werden ebenfalls elektrochemische Methoden zur Analyse der SAMs verwendet. Weiterhin kommen XPS zur Kontrolle des Reaktionsfortschrittes und der Oberflächenorientierung der Moleküle sowie STM zur Kontrolle und Analyse der SAM-Struktur zum Einsatz.

Abb. 4: Reaktion zur Modifizierung von auf Gold adsorbierten Thiol-Molekülen

Im Rahmen dieser Forschungen bestehen Kooperationen mit:

Dr. Terfort, Universität Hamburg

Prof. Dr. Müller, TU Hamburg-Harburg

Prof. Dr. Martin, Heinrich-Heine Universität Düsseldorf