Programmierbare supramolekulare (Komposit-)Multischichten auf Gold- und Siliziumoberflächen

Abstract

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Herstellung von programmierbaren, supramolekularen Multischichten und Komposit-Multischichten auf Gold- und Siliziumoberflächen durch Anwendung eines koordinationschemischen Schicht-auf-Schicht-Selbstorganisationsverfahrens und den damit verbundenen Synthesen, Beschichtungen und Analysen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst eine Vielzahl von pyridin- und terpyridinterminierten selbstorganisierten Monoschichten (SAM) hergestellt und auf Gold- und Siliziumoberflächen abgeschieden. Die Abscheideprozedur wurde optimiert wobei zur Analytik der Oberflächen Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), winkelabhängiger kantennaher Röntgenabsorptionsfeinstrukturspektroskopie (NEXAFS-Spektroskopie), Flugzeit- Sekundärionen- Massenspektrometrie (ToF-SIMS), Transmissions-UV/Vis- Spektroskopie sowie Rasterkraftmikroskopie (AFM) eingesetzt wurde. Es konnte gezeigt werden, dass sich hochgeordnete monomolekulare und gemischte Monoschichten erzeugen lassen. Die terminalen funktionellen Gruppen dieser SAMs konnten als Ligand zur Komplexbildung mit Übergangsmetallionen verwendet werden. Diese koordinative Haftschicht wurde zur Verknüpfung zunächst von Testliganden und später von terpyridin-terminierten Tetralactam-Makrozyklen (TLM) und darauf basierenden Etherrotaxanen verwendet. Hierbei wurden ebenfalls die Beschichtungsbedingungen optimiert, um einen vollständigen Bedeckungsgrad zu erreichen. Unter Verwendung dieser Bedingungen wurden anschließend Multischichten aus TLMs und Fe(II)-Ionen sowie alternierend Fe(II) und Ni(II) abgeschieden. Die Analyse der hergestellten Multischichten zeigte reproduzierbar ein regelmäßiges, kontrollierbares Wachstum und eine Vorzugsorientierung. Durch den Einsatz von pyridin- und terpyridin- terminierten TLMs mit variierenden Metallionen konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, die Abfolge verschiedener Schichten der Multischicht gezielt festzulegen. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden pyridin-terminierte Goldnanopartikel hergestellt und in die Multischichten integriert, um so Komposit-Multischichten herzustellen. Letztlich konnte gezeigt werden, dass die erzeugten Multischichten genutzt werden können, um über nicht-kovalente Wechselwirkungen reversibel Gastmoleküle zu binden und freizusetzten.

The present doctoral thesis focuses on the deposition of programmable supramolecular multilayers and composite-multilayers on gold and silicon substrates using a layer-by-layer selfassembly approach which is based on coordination chemistry. For this purpose, a variety of pyridine- and terpyridine-terminated self-assembled monolayers has been developed and deposited on gold and silicon substrates. Multitechnique analysis was carried out using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), (angle-dependent) near-edge Xray- absorption fine-structure spectroscopy (NEXAFS spectroscopy), time-of- flight secondaryion mass spectrometry (ToF-SIMS), transmissions UV/Vis spectroscopy as well as atomic force microscopy (AFM). By optimization of the deposition procedure, highly-ordered monomolecular and binary monolayers were deposited. As a proof of principle, transition metal-ions and appropriately labeled test-ligands were deposited on top of the functional monolayers. Furthermore, monolayers of terpyridine-terminated tetralactam macrocycles and the corresponding ether rotaxanes have been immobilized using coordination chemistry. In order to enhance the macrocycle surface coverage, the deposition procedure has been optimized as well. Multilayers consisting of diterpyridine- terminated tetralactam macrocycles have been deposited using either Fe(II) or alternatingly Fe(II) and Ni(II) metal-ions. The surface analysis proved a regular layer growth and a remarkable orientation of the macrocycles within the layer stacks. The applicability of the deposition procedure was expanded to a programmable layer stack by implementing pyridine-terminated macrocycles. The monodentate ligands led to an additional coordination sphere and thus to the application of a different transition metal-ion. The macrocycles and metal-ions were programmed according to the deposition sequence applied. The corresponding layer stack exhibited a linear dichroism of the π*-resonance corresponding to a preferential orientation of the macrocycles. Furthermore, the concept was extended to the deposition of composite multilayers consisting of pyridine-functionalized macrocycles and gold-nanoparticles which were synthesized during this thesis as well. Finally, reversible on-surface host- guest complex formation was carried out, giving rise to future applications of the developed layer system.