SFG-Spektrometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Spektrometer wird am Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik (LFG) eingesetzt, um technisch relevante Grenzflächen hinsichtlich ihrer molekularen Zusammensetzung und molekularen Ordnung zu untersuchen. Dabei wird die Summenfrequenz-Schwingungsspektroskopie (engl. sumfrequency generation, SFG) als inhärent grenzflächenempfindliche Methode verwendet. Ein Projekt, bei welchem der Einsatz des Spektrometers ein wesentlicher Bestandteil der Arbeiten ist, beschäftigt sich mit der Adsorption und Ausrichtung von Molekülen auf Festkörperoberflächen. Die verwendeten Moleküle sind relevant für organische Dünnschichttransistoren, deren wichtigstes Strukturelement eine komplexe selbstorganisierte Monolage ist (engl. self-assembled monolayer (SAM)). Die Funktionalität der Schichten wird einerseits durch die vorhandenen molekularen Gruppen (z.B. C60 modifizierte Alkylphosphonsäuren) und andererseits durch die Anordnung der Moleküle innerhalb der Monolage erreicht. Dabei kommt der Spektroskopie der Schichten mit SFG eine große Bedeutung zu, da die molekulare Ordnung an Hand der SFG-Intensität und die Zusammensetzung der Schichten anhand der vorhandenen Schwingungsbanden simultan bestimmt werden können. Durch die Analyse der SFG-Spektren und deren Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Schicht können bestimmte physikalische Eigenschaften abgeleitet und die Performance von organischen Transistoren durch einen iterativen Prozess aus Herstellung, Charakterisierung sowie Optimierung verbessert werden. Die Vorteile der SFG-Spektroskopie können auch für weitere Experimente zur Reibung und Haftung genutzt werden. Hierzu wurde ein Mikromanipulator entwickelt mit dessen Hilfe zwei Oberflächen wohl definiert in Kontakt gebracht werden können, so dass in Abhängigkeit von Normal- und Lateralkräften Schwingungsspektren der Moleküle im Bereich der Kontaktfläche gemessen werden können. Beispielsweise kann die steigende Unordnung einer zuvor gut geordneten selbstorganisierten Monolage als Funktion der Normalkraft mit SFG bestimmt werden. Die Ergebnisse aus diesen Experimenten werden zu einem besseren Verständnis von Reibung und Haftung auf molekularem Niveau beitragen. Neben der Untersuchung von Festkörper/Gas-, Festkörper/Flüssigkeit- und Festkörper/Festkörper-Grenzflächen werden am LFG auch fluide Grenzflächen untersucht. Beispielsweise ist die Wasser/Luft- Grenzfläche von großer Bedeutung für Schäume, welche aus wässrigen Elektrolyten hergestellt werden. Durch die hierarchische Struktur von Schäumen – vom molekularen Aufbau der mit Molekülen modifizierten Wasseroberfläche bis zur äußerst komplexen lamellaren Struktur des Schaums – werden die Eigenschaften von Schäumen im Wesentlichen durch die vorhandenen Grenzflächen und deren Struktur bestimmt. Letztendlich können durch die Steuerung der Grenzflächeneigenschaften die makroskopischen Eigenschaften des Schaums wie dessen Stabilität oder Rheologie kontrolliert und für das gewünschte Produkt z. B. einem Lebensmittelschaum angepasst werden. Um ein besseres Verständnis von Schaumeigenschaften zu erreichen, zielen unsere Untersuchungen daher auf die die genauen Zusammenhänge zwischen Adsorptionskinetik, Konkurrenzadsorption zwischen Proteinen, Emulgatoren, Lösungsmittelmolekülen und Ionen ab. Dazu werden SFG-Spektren der relevanten Grenzflächen entweder unter Gleichgewichtsbedingungen oder unter Nichtgleichgewichtsbedingungen beispielsweise während des Adsorptionsprozesses in-situ untersucht. Hierzu stehen unterschiedliche experimentelle Geometrien (Langmuir-Trog, Messzelle für definierten Gas und Flüssigkeitsaustausch) zur Verfügung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „The morphology of integrated self-assembled monolayers and their impact on devices - A computational and experimental approach”. Organic Electronics: physics, materials, applications 11, 1476-1482 (2011)
Novak, M., Jäger, C.M., Rumpel, A., Kropp, H., Peukert, W., Clark, T., Halik, M.
- „Tuning the molecular order of C60 functionalized phosphonic acid monolayers“. Langmuir 27, 15016-15023 (2011)
Rumpel, A., Novak, M., Walter, J., Braunschweig, B., Halik, M., Peukert, W.
- “Protein adsorption at the electrified air-water interface: Implications on foam stability”. Langmuir 28, 7780-7787 (2012)
Engelhardt, K., Rumpel, A., Walter, J., Dombrowski, J., Kulozik, U., Braunschweig, B., Peukert, W.
- „Impact of oxygen plasma treatment on the device performance of zinc oxide nanoparticle-based thin-film transistors”. ACS Applied Materials and Interfaces 4, 1693-1696 (2012)
Faber, H., Hirschmann, J., Klaumünzer, M., Braunschweig, B., Peukert, W., Halik, M.
