Photothermische Funktionalisierung organischer Monoschichten auf Längenskalen im Mikro- und Nanometerbereich
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Photochemische Reaktionen, d. h. chemische Reaktionen, die auf eine elektronische Anregung beruhen, spielen in vielen technischen Prozessen eine große Rolle. Photochemische Reaktionen lassen sich auch in vielfältiger Weise nutzten, um organische Monoschichten gezielt lokal zu funktionalisieren. Die im Projekt durchgeführten Arbeiten verfolgen einen fundamental anderen Ansatz. Mikrofokussierte Laser sollen genutzt werden, um organische Monoschichten lokal zu erwärmen und über thermisch induzierte Reaktionen zu funktionalisieren. Exemplarisch konnte ein solches photothermisches Verfahren erstmals anhand der laserinduzierten Bromierung organischer Monoschichten demonstrierten werden. Die in diesem Prozess generierten Bromatome verteilen sich sehr schnell über weite Bereiche in der Gasphase. Die Reaktion der Bromatome mit den Alkylketten an der Oberfläche, d. h. die chemische Funktionalisierung der organischen Monoschicht, bleibt jedoch auf den Bereich beschränkt, der durch den Laser kurzzeitig aufgeheizt wird. Aufgrund der nichtlinearen Temperaturabhängigkeit dieses Reaktionsschritts über die Arrhenius-Gleichung lassen sich chemisch funktionalisierte Domänen erzeugen, die deutlich kleiner sind als der Spotdurchmesser des mikrofokussierten Lasers. Dies eröffnet einen neuen Weg, die laterale Auflösung optischer Verfahren zur chemischen Funktionalisierung organischer Monoschichten auf Längenskalen unterhalb des optischen Beugungslimits auszudehnen. Experimente und Modellierungen zur Abhängigkeit der laserinduzierten Bromierung organischer Monoschichten von der Wellenlänge zeigen zudem die Möglichkeit, die in der Gasphase und an der Oberfläche induzierten Prozesse quasi unabhängig voneinander auszulösen. Dies könnte genutzt werden, um die laterale Auflösung und den Parameterbereich zur selektiven Funktionalisierung in 2-Farben-Experimenten, d. h. durch Verwendungen von Lasern mit unterschiedlichen Wellenlängen, weiter zu optimieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Probing the intrinsic switching kinetics of ultrathin thermoresponsive polymer brushes, Angew. Chem. Int. Ed. 50 (2011) 4513
C. Amiri Naini, S. Franzka, S. Frost, M. Ulbricht, N. Hartmann
- Direct laser patterning of soft matter: photothermal processing of multilayered phospholipid films with nanoscale precision, Small 5 (2009) 2099-2104
M. Mathieu, D. Schunk, S. Franzka, C. Mayer, E. Hasselbrink, N. Hartmann
- Photothermally induced microchemical functionalization of organic monolayers, ChemPhysChem 10 (2009) 2000-2003
B. Klingebiel, A. Schröter, S. Franzka, N. Hartmann
- Micro- and nanopatterns of functional organic monolayers on oxide-free silicon prepared by laser-induced photothermal desorption, Small 6 (2010) 1918-1926
L. Scheres, B. Klingebiel, J. ter Maat, M. Giesbers, H. de Jong, N. Hartmann, H. Zuilhof
- Photothermal micro- and nanopatterning of organo/silicon interfaces, Langmuir 26 (2010) 6826-6831
B. Klingebiel, L. Scheres, S. Franzka, H. Zuilhof, N. Hartmann
- Sub-wavelength patterning of organic monolayers via nonlinear processing with continuous-wave lasers, New J. Phys. 12 (2010) 125017
M. Mathieu, N. Hartmann
