Untersuchung und Anwendung von Selbstorganisationsprozessen

Das Interesse an selbstorganisierten Monoschichten (self-assembled monolayers - SAMs) ist in den letzten Jahren ständig gestiegen. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften eröffnen solche Monoschichten neue Perspektiven zur Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen, woraus sich Anwendungen in verschiedenen Bereichen (z. B. Sensoren, Elektroden, Biomaterialien, Nanostrukturierung, Tribologie) ergeben. Obwohl bereits ein relativ breites Spektrum an SAM-Systemen in der Literatur beschrieben wurde, besteht nach wie vor ein großer Bedarf an einem besseren Verständnis des quantitativen Einflusses verschiedener Abscheideparameter und der Rolle der Oberflächenchemie des Substrates auf den Adsorptionsmechanismus. Dies ist insbesondere wichtig, um neue Substrate für solche Adsorptionsprozesse zugänglich zu machen. Ziel dieses Projektes ist daher die Untersuchung der Adsorption von Alkyltrichlorsilanen auf verschiedenen Substraten, auf denen die Anzahl und Verteilung der reaktiven Hydroxyl-Bindungszentren für die Filmmoleküle genau kontrolliert werden soll. Diese Substrate sollen durch Modifikation von Silizium- und Glimmeroberflächen hergestellt werden. Dazu sollen sowohl konventionelle Aktivierungs- und Deaktivierungsschritte (z. B. UV/Ozon, HF) eingesetzt werden, als auch die Adsorption verschiedener Moleküle über Self-Assembly Prozesse mit und ohne anschließender chemischer Umsetzung der adsorbierten Moleküle. Weitere Untersuchungen mit verschiedenen Lösungsmitteln für die Abscheidung, sowie Experimente unter kontrolliertem elektrischen Potential des Substrates sollen den Einfluß elektrostatischer Phänomene auf den Abscheideprozeß aufklären. Es ist zu erwarten, daß die vorgeschlagenen Forschungsarbeiten wesentlich zum Verständnis der Mechanismen von Self-Assembly Adsorptionsprozessen beitragen werden, wodurch zahlreiche wissenschaftliche und technologische Anwendungen, aber auch analytische-methodische Entwicklungen, eröffnet werden.

In diesem Projekt wurde die Bildung dünner organischer Filme über Selbstorganisationsprozesse durch Adsorption aus Lösung untersucht. Selbstorganisation bedeutet spontane Bildung von hochgeordneten Strukturen ohne menschliches Zutun und ist in der Natur häufig zu finden. Membranen von lebenden Zellen können zum Beispiel über Selbstorganisationsprozesse gebildet werden. Im Labor kann man dieses Prinzip zur Herstellung von selbstorganisierten Monoschichten nutzen, wodurch die chemische Zusammensetzung der äußersten Lage eines Festkörpers modifiziert werden kann. Das kann zur Kontrolle einer breiten Palette an Eigenschaften (z. B. Korrosionsbeständigkeit, tribologische Eigenschaften) für verschiedene Anwendungen verwendet werden. Ziel dieses Projektes war ein besseres Verständnis der Mechanismen der Bildung selbstorganisierter Monoschichten von Alkyltrichlorosilan-Molekülen auf Silizium-oberflächen. Atomic force microscopy (AFM) wurde eingesetzt um Informationen über die Struktur von sub-Monolagen-Filmen zu erhalten. Die Ellipsometrie wurde verwendet um die Schichtdicken zu bestimmen. Mittels Infrarotspektroskopie konnte Information über die Ordnung der Moleküle in den Filmen erhalten werden. Es wurde gefunden, dass verschiedene Parameter das Wachstumsverhalten der Filme sehr stark beeinflussen. Eine Erhöhung der Temperatur führt z. B. zu kleineren Inseln und niedrigeren Bedeckungsgraden, während höhere Wasserkonzentrationen in den Adsorptionslösungen zu größeren Inseln und höheren Bedeckungsgraden führen. Weiters hat die Aktivität der Substratoberfläche (d. h. die Verfügbarkeit von chemisch reaktiven Ankergruppen) einen starken Einfluss auf die Form der abgeschiedenen Inseln. Eine niedrige Zahl von aktiven Ankergruppen bedeutet eine höhere Mobilität der adsorbierten Spezies, wodurch sie sich selbst in runden Inseln mit glatten Rändern anordnen können. Eine hohe Zahl von Ankergruppen führt hingegen dazu, dass die Moleküle rasch eingefangen werden, wodurch sich typische dendritische Inseln bilden. Es muss auch erwähnt werden, dass ein komplexes Wechselspiel zwischen den verschiedenen Einflussparametern beobachtet wurde. Darüber hinaus hat die Charakterisierung der Abscheidelösung (z. B. Existenz von geordneten Spezies) zum Verständnis der mikroskopisch beobachteten Prozesse beigetragen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Projekt signifikant zum Verständnis von Wachstumsmechanismen von selbstorganisierten Monoschichten beigetragen hat, was eine wichtige Voraussetzung für die reproduzierbare Herstellung solcher Schichten ist.