Adaptive Nanostrukturen durch hierarchische Selbstorganisation

Mittels Rastertunnelmikroskopie (RTM) wurde die Bildung von ausgedehnten zwei-dimensionalen metall-organischen Netzwerken von stäbchenförmigen Liganden und Eisen Metallatomen auf Ag(100) und Au(111) Oberflächen untersucht. Die Netzwerke zeigen eine ungewöhnlich hohe Toleranz und Anpassungsfähigkeit gegenüber intrinsischen Substratdefekten und Stufenkanten sowie zwischen zusammenwachsenden Domänengrenzen. Dabei wachsen die Netzwerke kontinuierlich über Substratstufenkanten, ohne die Gitterstruktur zu unterbrechen. Die wechselseitige Anpassung von Netzwerkdomänen an den Stufenkanten sowie auf Oberflächenterassen wird auf die Alkynylgruppe im Liganden zurückgeführt. Diese gestattet die Einnahme vieler verschiedenen Adosptionsgeometrien des Liganden, und, noch viel wichtiger, die Verbiegung des linearen Moleküls für die Bildung der energetisch bevorzugten Fe-Carboxylat Bindungen. Trotz dieser Eigenschaften sind die Netzwerke thermisch robust bis zu einer Temperatur von 500 K. Die Ergebnisse zeigen das Potential von metall-organischen Verbindungen mesoskalig geordnete Netzwerke auf Oberflächen zu bilden, ohne durch intrinsische Defekte limitiert zu sein.

Desweiteren wurden die Netzwerke auf Au(111) und Ag(100) als Templat für die Einbindung von Ni Atomen verwendet. Die Ni Atome können in die Netzwerke integriert werden, ohne deren strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Das Substrat spielt dabei eine entscheidende Rolle. Im Falle von Au(111) werden die Benzengruppen dekoriert, während auf der Ag(100) Oberfläche Ni an die Butadiynylgruppe bindet. Auf Au(111) sind die Clustergrößen durch die Größe der Kavitäten des Netzwerkes limitiert. Auf Ag(100) wachsen zudem Ni Cluster unterhalb des Netzwerkes und innerhalb der ersten Silber-Substratschicht. Auf diese Weise erhält man eine hohe Dichte von kleinen Clustern mit einer sehr hohen thermischen Stabilität bis mindestens 450 K. Zusätzlich bilden die Ni Atome in den Netzwerkkavitäten Andockstellen für die Einbindung weiterer molekularer Einheiten. Dies ermöglicht die gezielte Synthese hierarchisch aufgebauter Multikomponentensysteme auf Oberflächen.

Es wurde ein neuer RTM Kopf entworfen und konstruiert, der es erlaubt Experimente an Graphenproben mit einem Back-Gate zu untersuchen. Das RTM arbeitet bei 4 K und besitzt die Möglichkeit, die Probe in einem Bereich von ca. 5×5 mm² mit Sub-Mikrometer Genauigkeit zu positionieren. Ein optischer Zugang ermöglicht die Kontrolle der Spitze-Probe Position und gestattet gleichzeitig die Untersuchung von lichtinduzierten oder Photoemissionsphenomänen. Im RTM kann die Probe mit vier unabhängigen elektrischen Zugängen kontaktiert werden, die für in situ Transportmessungen mit Back-Gate eingesetzt werden können.