Oberflächengestützte Synthese von Kohlenstoff-Nanostrukturen mit nichtbenzenoider und nichtalternierender Topologie

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Gottfried; Professor Dr. Gerhard Hilt
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508433121

Selektive bottom-up Synthesen von sp2 Kohlenstoffnanostrukturen eröffnen einen vielseitigen Zugang zu Materialien mit ungewöhnlichen (opto)elektronischen Eigenschaften. Wichtige Beispiele sind Graphen-Nanobänder und Nanographene, die durch oberflächengestützte Synthesen mit atomarer Präzision herstellbar sind. Im Mittelpunkt der Forschung standen bisher vor allem konjugierte Systeme mit benzenoider alternanter Topologie, die durch hexagonale sp2-Kohlenstoffringe charakterisiert sind. Ihre elektronischen Eigenschaften sind teilweise über Größe, Form und Kantenstruktur steuerbar. Eine alternative und bislang wenig entwickelte Methode zur Kontrolle der Eigenschaften dieser Kohlenstoffnanostrukturen ist die Änderung der Topologie des Kohlenstoffgerüst in nicht-hexagonaler Weise, z.B. durch pentagonale und heptagonale Ringe. Die resultierenden nichtbenzenoiden und nichtalternanten pi-Elektronensysteme haben besondere (opto)elektronische Eigenschaften, wie theoretische Rechnungen und unsere experimentellen Ergebnisse für ausgewählte Systeme zeigen. In diesem Projekt soll ein kombinierter Ansatz aus Lösungs- und Oberflächensynthese verwendet werden, um strukturell wohldefinierte sp2 Kohlenstoffnanostrukturen mit nichtbenzenoider und nichtalternanter Topologie auf Metall- und Metalloxidoberflächen im Ultrahochvakuum zu erzeugen. Zur Steuerung der Selektivität soll eine Kombination aus Vorstufendesign, Oberflächenwechselwirkung, kinetischer Reaktionskontrolle und anderen Verfahren eingesetzt werden. Diese Methodik wurde in langjähriger Kooperation zwischen den Arbeitsgruppen Gottfried und Hilt entwickelt und verknüpft Kompetenzen für organische Synthese (Hilt) mit solchen im Bereich der Oberflächenforschung (Gottfried). Die angestrebten Produkte umfassen langreichweitig periodische Azulen- und Azupyrenpolymere, nichtalternierende Kohlenstoffnanobänder, sowie nichtalternierende Cycloarene. Die detaillierte Charakterisierung der Produkte hinsichtlich Struktur und elektronische Eigenschaften erfolgt mittels Rastersondenmikroskopien und -spektroskopien, Röntgen- und UV-Photoelektronenspektroskopien, Röntgenabsorptionspektroskopie sowie optischen Spektroskopien. Diese Kombination von komplementären Methoden wird auch für mechanistische Untersuchungen eingesetzt, welche auf die methodische Weiterentwicklung der oberflächengestützten Synthese abzielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Finnland
• Kooperationspartner: Professor Dr. Peter Liljeroth