Nanostrukturstudie molekularer Gerüste

Dieses Kooperationsprojekt zwischen der Universität Wien und dem Wigner-Forschungszentrum in Budapest untersucht Kohlenstoff-Nanostrukturen, welche durch molekulare Gerüste verknüpft sind. Die Strukturen bestehen aus neuen Formen des Kohlenstoffs, Graphene und Kohlenstoff-Nanoröhrchen, verknüpft durch an den Oberflächen gebundene organische Moleküle. Das Projekt kombiniert die neuen Fortschritte in hochauflösender Elektronenmikroskopie und optischer Nahfeld-Spektroskopie. Beide Gruppen werden in Kürze neue Instrumente in diesen Bereichen installieren, welche einzigartige neue Einsichten in die Struktur und dynamischen Eigenschaften dieser Systeme erwarten lassen. In der Kombination ergibt sich zusätzlich noch ein deutlicher Mehrwert: Die Kombination aus hochauflösender Elektronenmikroskopie und optischer Nahfeldspektroskopie wird Information mit einer Ortsauflösung von wenigen Angstrom mit einer Energieauflösung von einigen meV an denselben Strukturen erreichen. Aus dem Projekt erwarten wir direkte Fortschritte im Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Struktur und den Eigenschaften in diesen molekularen Kompositen und legen damit die Basis für spezifische, funktionelle Materialien mit neuen Eigenschaften.

Im Rahmen dieses Kooperationsprojektes zwischen der Universität Wien und dem Wigner- Forschungszentrum in Budapest wurden Kohlenstoff-Nanostrukturen untersucht, welche durch molekulare Gerüste verknüpft sind. Dabei wurden diese Strukturen an der Universität Wien mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie und und am Wigner- Forschungszentrum in Budapest mittels optischer Nahfeld-Spektroskopie untersucht.Die Forschungsgruppe an der Universität Wien hat zunächst eine theoretische Untersuchung durchgeführt, wie sich die (sehr strahlungsempfindlichen) an Graphene gebundenen Moleküle abbilden lassen. Dabei wurde eine neue Methode entdeckt, mit der die Dosis auf viele Moleküle verteilt wird und dann die repräsentative Struktur im Computer rekonstruiert wird (Ultramicroscopy 145, p. 13, 2014, http://dx.doi.org/10.1016/j.ultramic.2013.11.010). Eine zweite Arbeit entstand zu den Kohlenstoff-Strukturen welche als Basis für die Anbindung von Molekülen wichtig sind (Scientific Reports 4, Art. # 4060, http://dx.doi.org/1.1038/srep04060). Hier wurde eine Möglichkeit gezeigt um eine kontrollierte Menge an Unordnung in die Struktur einzubringen, und außerdem dier Übergang vom kristallinen zum amorphen Zustand untersucht.Ein großer Ladungstransfer konnte innerhalb einer Hybridstruktur aus Kohlenstoff- Nanoröhrchen als leitfähige Matrix und Graphenoxid-plättchen als molekulare Dotierungen gezeigt werden (Carbon 72, p. 224232, http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2014.02.006). Insbesondere konnten wir zeigen, dass die Präsenz der (isolierenden) Graphenoxid- Strukturen die Leitfähigkeit der Nanoröhrchen-Matrix aufgrund der Dotierung erhöht, während das Einbringen von reduziertem Graphenoxid die Leitfähigkeit verringerte.Die Abbildung von molekularen Strukturen auf dem Kohlenstoff-Gerüst (Graphene) ist für Fullerene und Kupfer-Phtalocyanine gelungen. Die Fullerene wurden dabei auf einem Graphene-Träger als auch zwischen Graphene-Schichten eingebettet untersucht. Abbildung1 zeigt ein Schema und eine Raster-Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines solchen Graphene-Fullerene Sandwiches (diese Arbeit ist derzeit unter Begutachtungfür die Veröffentlichung). In der Studie konnten wir die Dynamik einzelner Moleküle als auchdie Reaktionen zwischen Molekülen unter dem Elektronenstrahl beobachten.