Ab-Initio investigations of fundamental adsorption mechanisms of organic molecules on solid surfaces

Preuß, Martin GND

Nanotechnologie ist heutzutage aus vielen Bereichen des Alltags und der Wissenschaft nicht mehr wegzudenken. Der der Natur abgeschaute Lotuseffekt wird bereits kommerziell für wasser- und schmutzabweisende Fassadenfarben genutzt. In der Medizin schreitet die Entwicklung leistungsfähiger, selektiv auf chemische oder biologische Stimuli reagierender Sensoren schnell voran. Die Fähigkeit spezieller Moleküle zur Selbstorganisation auf Kristalloberflächen wird im Zusammenhang mit der Entstehung des Lebens diskutiert. Die Hochtechnologie, insbesondere die Chipindustrie, dringt auf dem Weg fortschreitender Miniaturisierung von Bauelementen in den Bereich molekularer Elektronik vor. Die zugrundeliegenden Prozesse im Subnanometerbereich betreffen die Adsorption von Molekülen auf Festkörperoberflächen. Trotz der bereits erzielten Erfolge sind die mikroskopischen Mechanismen dieser organischen Funktionalisierung auch heute noch wenig verstanden. Die molekularen Grenzschichten sind oftmals nur mangelhaft charakterisiert, daher schlecht reproduzierbar und kontrollierbar. Abhilfe schaffen theoretische Untersuchungen im Rahmen des Ab-Initio-Ansatzes: dieser erlaubt eine voll quantenmechanische Beschreibung des Vielteilchenproblems ohne empirische Parameter. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, eine parameterfreie Strukturoptimierung durchzuführen und spektroskopische Eigenschaften vorherzusagen. Im Zuge der Modellierung der Adsorbatsysteme erhält man so die mikroskopischen Strukturdetails der organischen Grenzschichten. Die Analyse der Bindung enthüllt die Adsorptionsmechanismen, deren Kenntnis für ein kontrolliertes Schichtwachstum unerläßlich sind. Ferner erlauben die Ab-Initio-Rechnungen die Identifikation der Kräfte, die die spontane Selbstorganisation von Molekülen auf Kristalloberflächen treiben. In der vorliegenden Dissertation werden die Fragen nach Struktur, Bindung und Anlagerungsmechanismus sowie nach elektronischen und spektroskopischen Eigenschaften für prototypische Adsorptionssysteme mit Hilfe von Ab-Initio-Rechnungen detailliert beantwortet. Die Siliziumoberfläche dient dabei als Substrat für Methylchlorid, Benzol und Perylen, die biokompatible Siliziumkarbidoberfläche als Substrat für Pyrrol. Qualitativ anders bindet hingegen das DNA-Basenmolekül Adenin an die metallische Kupferoberfläche. Ausgehend von den Erkenntnissen über die Bindung eines einzelnen Moleküls werden selbstorganisierte Adeninschichten auf dieser Oberfläche untersucht.

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Preuß, Martin: Ab-Initio investigations of fundamental adsorption mechanisms of organic molecules on solid surfaces. 2007.

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