Struktur, Dynamik und Ordnung ultradünner Schichten aus Goldnanoclustern A. Vasiliev, H. Rehage, G. Schmid Folie 1-1-

Ähnliche Dokumente
12. Biopolymere. Anwendungen: Sensoren, Detektoren, Displays, Komponenten in elektrischen Schlatkreisen Modellsysteme

Auflösungsvermögen von Mikroskopen

Alle Atome haben Massen ungefähr einem vielfachen der Masse des Wasserstoff Atoms.

Zellulose-Synthese. künstlich: enzymatische Polymerisation von Zellobiose-Fluorid

Fortgeschrittenenpraktikum. Ellipsometrie

LASER-OPTIK-KIT "SNELLIUS Ein Versuchsaufbau zum Erlernen der Optik im Zeitalter der Photonik in Gymnasien, Schülerlaboren und physikalischen Praktika

Atomic Force Microscopy: Grundlagen Methoden - Anwendung

Methoden. Spektroskopische Verfahren. Mikroskopische Verfahren. Streuverfahren. Kalorimetrische Verfahren

2. Elektrostatik und Ströme

Wiederholung: Elektrisches Feld und Feldlinien I Feld zwischen zwei Punktladungen (pos. und neg.)

Methoden. Spektroskopische Verfahren. Mikroskopische Verfahren. Streuverfahren. Kalorimetrische Verfahren

2.3 Intermolekulare Anziehungskräfte und Molekülkristalle

Physikalische Chemie II (PCII) Thermodynamik/Elektrochemie Vorlesung und Übung (LSF# & LSF#101277) - SWS: SoSe 2013

Atomic Force Microscopy

F 5 Langmuir Blodgett Technik

Physikalisches Grundpraktikum Technische Universität Chemnitz

1. Klausur Allgemeine und Anorganische Chemie B.Sc. Chemie

Rutherford Streuung F 1. r 12 F 2 q 2 = Z 2 e. q 1 = Z 1 e

Transmissionselektronen mikroskopie (TEM)

Grundwissen Chemie 9. Jahrgangsstufe G8

FK Experimentalphysik 3, Lösung 3

Rastermethoden 1. Klaus Meerholz WS 2010/11. Raster. Reinzoomen

Dip-Pen Nanolithography. Ramona Augustin Einführung in die Biophysik SoSe 2013

Fortgeschrittene Photonik Technische Nutzung von Licht

Physikalische Chemie 0 Klausur, 22. Oktober 2011

6. Modifikation der Lösungseigenschaften von Kolloiden

Atom-, Molekül- und Festkörperphysik

Ferienkurs Experimentalphysik 3

NG Brechzahl von Glas

Auswertung P2-10 Auflösungsvermögen

8. Reines Ethanol besitzt eine Dichte von ρ = 0,79 g/cm³. Welches Volumen V Ethanol ist erforderlich, um eine Masse von m = 158g Ethanol zu erhalten?

Rastersonden-Mikroskopie (SPM)

Optische Spektroskopie mit Lasern: Grundlagen und Anwendungen. Wann: Mi Fr Wo: P1 - O1-306

endotherme Reaktionen

6. Die Chemische Bindung

Kleinster Abstand d zweier Strukturen die noch als getrennt abgebildet werden können.

Entwicklung von heterogenen Katalysatoren zur selektiven Direktoxidation von L-Sorbose. Von der Fakultät für Lebenswissenschaften.

Monomolekularer Film

Physik für Mediziner im 1. Fachsemester

Beispiel: Bestimmung des Werts 3 2 ( 2 1, 4142) Es gilt 3 1,41 = 3 141/100 = , 707. Es gilt 3 1,42 = 3 142/100 = , 759.

Diplomvorprüfung zur Vorlesung Experimentalphysik I Prof. Dr. M. Stutzmann,

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente. Prof. Dr.-Ing. H. Ryssel. vhb-kurs Halbleiterbauelemente

Elemente des Periodensystems. Natürliche Häufigkeit der Elemente

CHARAKTERISIERUNG VON HALBLEITERN FÜR PHOTOVOLTAISCHE ANWENDUNGEN MIT HILFE DER BREWSTER-WINKEL-SPEKTROSKOPIE

Bist Du nicht "FIT", dann musst Du nacharbeiten.

Grundwissen 9.Klasse NTG 1 Grundwissen 9.Klasse NTG 1. Bsp.: Grundwissen 9.Klasse NTG 2 Grundwissen 9.Klasse NTG 2

FK Ex 4 - Musterlösung Dienstag

Lk Physik in 13/1 1. Klausur Nachholklausur Blatt 1 (von 2)

SS Thomas Schrader. der Universität Duisburg-Essen. (Teil 8: Redoxprozesse, Elektrochemie)

Vorlesung Theoretische Chemie I

Wellen an Grenzflächen

Verbundstudium TBW Teil 1 Grundlagen 3. Semester

Spektroskopie. im IR- und UV/VIS-Bereich. Raman-Spektroskopie.

Wafer Grundlage der ICs

Grundwissen Chemie Mittelstufe (9 MNG)

Das wischende Entfernen nanoskaliger Verunreinigungen. Ein Vortrag von Win Labuda

Universität Regensburg

Polarisation durch Reflexion

Aktive Schwingungsisolation (Halcyonics)

E3 Aktivitätskoeffizient

Untersuchungen zur lokalen Abscheidung von SiO x -Schichten mittels Plasmajet

C. Nanotechnologie 9. Chem. Analyse 9.1 Übersicht. Prinzip. Prof. Dr. H. Baumgärtner C9-1

In-Situ AFM Investigation of the Adhesion Behavior of Spherical Polyelectrolyte Brushes (SPB) on Mica

Planung, Bau und Betrieb von Chemieanlagen - Übung Allgemeine Chemie. Allgemeine Chemie. Rückblick auf vorherige Übung

Dünne Schichtelektroden durch Kombination von PVD- und PECVD-Verfahren

Darstellung des Messings Cu 2 Zn

Technische Universität München Lehrstuhl I für Technische Chemie

Rastertunnelmikroskopie

3.7.1 Polarisationsfolien Polarisationsfolien haben hohe Elektronenbeweglichkeit entlang einer Richtung y in der Ebene der Folie. Analog zum Durchgang

Gasthermometer. durchgeführt am von Matthias Dräger, Alexander Narweleit und Fabian Pirzer

Kinematik & Dynamik. Über Bewegungen und deren Ursache Die Newton schen Gesetze. Physik, Modul Mechanik, 2./3. OG

Zentralabitur 2011 Physik Schülermaterial Aufgabe I ga Bearbeitungszeit: 220 min

Trisacetylacetonatoferrat(III) Fe(acac) 3

Übungen zur Experimentalphysik 3

Nanokontakte Verbindungen von der makroskopischen zur Quantenwelt

2. Bestimmen Sie die Geschwindigkeitskonstante k der Rohrzuckerinversion in s -1.

10. Chemische Bindung

Allotrope Modifikationen des Kohlenstoffs. Ein Vortrag von Julian Franzgrote, Thorben Hagedorn und Niklas Weitkemper

d Chemical Vapor Deposition (CVD)

Übungen zu Physik 1 für Maschinenwesen

Aufgaben zur Wärmelehre

Flüssigkristall Display

ÜBUNGEN ZUR VORLESUNG Physikalische Chemie I (PC I) (Prof. Meerholz, Hertel, Klemmer) Blatt 14,

12. Jahrgangsstufe Abiturvorberitung Musterprüfungsaufgaben. Elektrische und magnetische Felder

Organische Chemie 1 Teil 2 1. Vorlesung, Dienstag

Grenzflächen-Phänomene

Vorkurs Allgemeine Chemie für Ingenieure und Biologen 20. Oktober 2015 Dr. Helmut Sitzmann, Apl.-Professor für Anorganische Chemie

Gibt es myonische Atome?

Atom-, Molekül- und Festkörperphysik

Allotrope Kohlenstoffmodifikationen. Ein Vortrag von Patrick Knicknie. Datum: Raum:112

Der Zustand eines Systems ist durch Zustandsgrößen charakterisiert.

Versuch 2.1: Herstellung von Propoxybenzol (Phenylpropylether)

STÖCHIOMETRIE. die Lehre von der mengenmäßigen Zusammensetzung chemischer Verbindungen und den Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen

RASTER-KRAFT-MIKROSKOPIE (ATOMIC FORCE MICROSCOPY AFM)

Physik LK 12, 2. Kursarbeit Magnetismus Lösung A: Nach 10 s beträgt ist der Kondensator praktisch voll aufgeladen. Es fehlen noch 4μV.

Säuren und Basen. Dr. Torsten Beweries AC I - Allgemeine Chemie LAC-CH01 WS 2016/17.

Vom Molekül zum Material. Thema heute: Nanostrukturierte Materialien

Physikalisch Chemisches Praktikum

1 mm 20mm ) =2.86 Damit ist NA = sin α = α=arctan ( nm ) Berechnung eines beugungslimitierten Flecks

Der Tunneleffekt Jan Lukas Becker. Vorgetragen am im Rahmen der Veranstaltung Nanostrukturphysik I

Transkript:

Struktur, Dynamik und Ordnung ultradünner Schichten aus Goldnanoclustern A. Vasiliev, H. Rehage, G. Schmid 17.03.2005 Folie 1-1-

Zukünftiger exponentieller Anstieg der Rechenkapazität Die Leistung von Computern verdoppelt sich etwa alle 18-24 Monate. Mooresches Gesetz, benannt nach dem Ex- INTEL-Chef Gordon Moore. Die Quantenelektronik beginnt spätestens im Jahr 2020. 17.03.2005 Folie 1-2-

Nanocluster als Transistorersatz Quantum-Size-Effect (QSE) der Metallnanocluster Single-Electron-Transistor (SET) 17.03.2005 Folie 1-3-

SET -Effekt Effekt Single-Electron-Transistor Bei Raumtemperatur beobachtet man einen Tunneleffekt der Elektronen durch die isolierende Ligandenhülle. Strom-Spannung-Charakteristik eines 2,1 nm großen ligandstabilisierten Au 55 - Cluster in einer Monolage bei Raumtemperatur. (G. Schmid, Advanced Engineering Materials, 2001, 737.) 17.03.2005 Folie 1-4-

Gold-55 55-Nanocluster Triphenylphosphan- Silesquioxan-Cluster P HS R Si O Si R Si O O O R Si O O O O Si R O O Si R R Si O Si R = R HS Thiobenzol HS (CH 2 ) 11 CH 3 Dodecanthiol Triphenylphosphan T 8 -OOS - SH Dodecane-1-thiol 17.03.2005 Folie 1-5-

Au 55 (PhSH) 12 Cl 6 -Cluster 17.03.2005 Folie 1-6- Triphenylphosphangold(I)-chlorid Diboran Synthese der Au 55 - Cluster + AuClPh 3 P B 2 H 6 - PPh 3 Au 55 (T 8 -OSS-SH) 12 Cl 6 + = Au Au 55 (PPh 3 ) 12 Cl 6 löslich in CH 2 Cl 2 = S = Ph - PPh 3

Langmuir-Blodgett Blodgett-Filmwaage 17.03.2005 Folie 1-7-

17.03.2005 Folie 1-8- Brewsterwinkel- mikroskopie (BAM) Grundlagen der Brewsterwinkel Snellius sches Brechungsgesetz E α n 1 sinα = n 2 sinβ R (n 1 ) Brewster-Bedingung (1815) β 90 G tan α = n n 2 1 Grenzflä che (n 2 ) Brewster-Winkel für die Luft-Wasser-Grenzfläche: α = 53,1

Schematischer Aufbau eines Brewsterwinkel-Mikroskops 1 3 4 3 7 2 5 6 Wilhelmy-Waage Barriere Wasser (1) Dioden-Laser (2) Polarisator (3) linkes/rechtes Goniometer (4) z-lift (5) Objektiv-Einheit (6) Analysator (7): CCD-Chip 17.03.2005 Folie 1-9-

Messung des Oberflächenpotenzials Kelvin Sonde 17.03.2005 Folie 1-10- Level-o- Matic Wilhelmy Platte Barriere Langmuir Trog

Charakterisierung der Goldclusterschichten Auf der Wasseroberfläche: - π/a-isotherme - V/A-Isotherme (Oberflächenpotenzial) - Brewsterwinkel-Mikroskopie (BAM) Auf den Substraten (Si-Wafer): - Kontrast-Mikroskopie - AFM (Atomic-Force-Microscopy) - TEM (Transmission-Elektronen-Mikroskop) - REM (Raster-Elektronen-Mikroskop ) 17.03.2005 Folie 1-11-

π-a-isotherme 25 20 Druck mn/m 15 10 5 0-5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 Fläche pro Cluster ( nm 2 ) Theoretischer Durchmesser (nm) Gemessener Durchmesser (nm) Au 55 (PPh 3 ) 12 Cl (-Triphenylphosphan) 6 2,1 2,0±0,3 Au 55 (T 8 -OSS-SH) 12 Cl (-Silesquioxan) 6 4,2 2,8±0,3 Au 55 (PhSH) 12 Cl 6 (-Thiophenol) 2,4 2,2±0,3 17.03.2005 Folie 1-12-

Vergleich mit einem van-der der-waals Gas 20 (π+π 0 )*(A-A 0 )=kt ( π + π )( A A ) = kt A 0 =2,04 nm 2 π 0 =0,92 mn/m 0 0 15 π [mn/m] 10 5 Au 55 (PPh 3 ) 12 Cl 6 (Triphenylphosphancluster) 0 2 3 4 5 6 7 8 A [nm 2 ] 17.03.2005 Folie 1-13-

Oberflächenpotenzial Druck mn/m 25 1050 Oberflächendruck 950 20 Oberflächenpotenzial 850 750 15 650 10 550 450 5 350 250 0 150 50-5 -50 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Ob. Potential, mv Fläche pro Cluster ( nm 2 ) Die vier V/A-Isothermen mit dazu gehörigen π/a-isothermen von Monofilmen aus Au 55 (PPh 3 ) 12 Cl 6. (Temperatur 20 C, Komprimierungsgeschwindigkeit 10 cm 2 /min). 17.03.2005 Folie 1-14-

Oberflächenpotenzial Druck mn/m 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 Ob. Druck Ob. Potential 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Ob. Potential, mv Fläche pro Cluster ( nm 2 ) Fünf V/A-Isothermen mit dazu gehörigen π/a-isothermen von Schichten aus Au 55 (T 8 -OSS-SH) 12 Cl 6. (Silesquioxancluster, Temperatur 20 C, Komprimierungsgeschwindigkeit 10 cm 2 /min). 17.03.2005 Folie 1-15-

Oberflächenpotenzial Adsorption von Ionen (OH - ) Bildung eines induzierten Dipols (Kontaktpotenzial) Redoxreaktionen (Cl Cl - ) Lichtinduzierte Dipolbildung 17.03.2005 Folie 1-16-

Bildung von Aggregaten auf der Wasseroberfläche BAM-Untersuchungen an Goldclusterschichten Direkt nach der Spreitung Während der Komprimierung 17.03.2005 Folie 1-17-

Bildung von Aggregaten auf der Wasseroberfläche BAM-Untersuchungen an Goldclusterschichten Vollständige Komprimierung Nach der Expansion 17.03.2005 Folie 1-18-

Herstellung der Schichten aus Goldclustern mithilfe der Langmuir-Blodgett-Technik 17.03.2005 Folie 1-19-

AFM-Untersuchungen Die Schicht ist homogen. In einigen Fällen werden größere Teilchen detektiert. Sie können Goldkolloide, die in Dichlormethanlösung aus Cluster entstanden, oder Staub sowie andere Schmutzpartikel darstellen. Dem Oberflächenprofil nach ist der Film 2,4 nm dick und besitzt eine Oberflächenrauheit von ca. 0,3 nm. Dies entspricht einer Monolage. AFM-Aufnahme eines Films aus Au 55 (PPh 3 ) 12 Cl 6 auf dem Si-Wafer mit Höhenprofil. (Übertragen mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min, Temperatur 20 C, π = 20 mn/m). 17.03.2005 Folie 1-20-

AFM-Untersuchungen Bildung von Mono- und Doppelschichten AFM-Aufnahme eines Films aus Au 55 (PPh 3 ) 12 Cl 6 auf einem Si-Wafer. (Übertragungsgeschwindigkeit von 1 mm/min, Temperatur 20 C, π = 1 mn/m). 17.03.2005 Folie 1-21-

Bildung von Multischichten Dichlormethan 17.03.2005 Folie 1-22-

AFM-Messungen Messungen Silesquioxan-Metallcluster Bildung einer homogenen, geschlossenen Struktur. AFM-Aufnahme eines Films aus Au 55 (T 8 -OSS-SH) 12 Cl 6 auf einem Si-Wafer. (Übertragen mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min, Temperatur 20 C, π = 1 mn/m). 17.03.2005 Folie 1-23-

Problem der Überkompression Silesquioxan-Metallcluster Bei 6 mn/m ist die Schicht geschlossen, Höhere Oberflächendrücke führen zu Multischichten oder zur Bildung von Falten. AFM-Aufnahme eines Films aus Au 55 (T 8 -OSS-SH) 12 Cl 6 auf einem Si-Wafer. (Übertragen mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min, Temperatur 20 C, π = 11 mn/m). 17.03.2005 Folie 1-24-

Alterung der Schichten AFM-Aufnahmen von Au 55 (PPh 3 ) 12 Cl 6 Schichten (eine Woche nach der Herstellung) 17.03.2005 Folie 1-25-

Alterung der Schichten AFM-Aufnahmen von Au 55 (PPh 3 ) 12 Cl 6 Schichten (drei Monaten nach der Herstellung) 17.03.2005 Folie 1-26-

Variation des Lösungsmittels Zusatz von Toluol Vorteile: dichtere Packung der Cluster keine Bildung von Multischichten TEM-Aufnahme eines Films aus Au 55 (PPh 3 ) 12 Cl 6 nach der Toluol- Behandlung. (Übertragen mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min, Temperatur 20 C, π = 20 mn/m). 17.03.2005 Folie 1-27-

TEM-Untersuchungen TEM-Aufnahmen einer Au 55 (T 8 -OSS-SH) 12 Cl 6 Schicht (Silesquioxan) 17.03.2005 Folie 1-28-

TEM-Untersuchungen TEM-Aufnahme eines Films aus: Au 55 (T 8 -OSS-SH) 12 Cl 6 (Raster-Modus). 17.03.2005 Folie 1-29-

Vernetzung der Goldcluster S Au HS SH Au Schematische Darstellung der Bindung zwischen zwei Clustern durch ein TBBT Molekül (4,4 -Thiobis(Benzolthiol)) TEM-Aufnahme eines mit TBBT einpolymerisierten Films aus Au 55 (PPh 3 ) 12 C l6 (die Konzentration der Linkermoleküle ist 1:1 zur Ligandenmenge). 17.03.2005 Folie 1-30-

Verwendung von Phospholipid- doppelschichten als weiche Unterlage TEM-Aufnahme eines Films aus Au 55 (PPh 3 ) 12 Cl 6 Wie bei der Toluol-Behandlung wurde nach der Verwendung von Phospholipiden eine gute Transferrate erreicht. Die Cluster in den Schichten sind dicht gepackt, aber nicht geordnet. 17.03.2005 Folie 1-31-

LB-Schichten aus größeren Goldclustern SEM-Aufnahme von Schichten aus Dodekanthiol stabilisierten Goldpartikeln (8,3 nm), hergestellt aus der Lösung mit einer Konzentration von (a) 0,06 mg/ml und (b) 0,6 mg/ml. Der Oberflächendruck bei der Übertragung betrug 10 mn/m. 17.03.2005 Folie 1-32-

Zusammenfassung Mithilfe der LB-Technik können homogene, dichte Schichten hergestellt werden, aber die Cluster sind innerhalb der Schichten nicht geordnet. Das Oberflächenpotential der Goldclusterfilme beträgt an der Wasseroberfläche ca. 1.100 mv! Die Zugabe von Additiven (Toluol, Phospholipiddoppelschichten) verhindert die Aggregationstendenz und führt zu einer Verbesserung der Schichtstruktur. Die chemische Natur der Liganden spielt eine große Rolle beim definierten Aufbau der Monoschichten. 17.03.2005 Folie 1-33-

Danksagung DFG-Graduiertenkolleg 689: Reaktivität im oberflächennahen Bereich. Gemeinsames Forschungsprojekt mit Herrn Prof. G. Schmid, Universität Duisburg-Essen, Institut für Anorganische Chemie. Synthese und Durchführung der Messungen, Dr. A. Vasiliev 17.03.2005 Folie 1-34-