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Laserinduzierte Bromierung organischer Monoschichten

Klingebiel, Benjamin

Selbstorganisierende organische Monoschichten (Self-Assembled Monolayers, SAMs) können als Bindeglied zwischen anorganischen Festkörpern und organischen sowie biologischen Materialien dienen. Obwohl diese Schichten eine sehr einfache Nanostruktur darstellen, finden sich hierfür zahlreiche Anwendungen, denn sie erlauben es viele makroskopische Eigenschaften von Oberflächen zu ändern. Zum Aufbau von komplexen Nanostrukturen werden Verfahren zur Herstellung strukturierter SAMs benötigt. Dadurch eröffnen sich neue mögliche Anwendungen für SAMs z.B. in den Bereichen der Analytik, Biochemie und Elektronik. Laserverfahren verwenden fokussierte Laserstrahlen und erlauben eine schnelle und flexible Strukturierung organischer Monoschichten.
Bei der photothermischen Laserstrukturierung wird im Gegensatz zu photochemischen Prozessen, bei denen die organischen Moleküle elektronisch angeregt werden, die lokale Temperaturerhöhung des Substrats ausgenutzt, um eine Reaktion, wie die Zersetzung oder Desorption der Moleküle zu erreichen. Aufgrund der nichtlinearen Abhängigkeit der ausgelösten Reaktionen von der Temperatur ist es in vielen Fällen möglich, Strukturen zu erzeugen, die erheblich kleiner sind als der verwendete Laserspot. In dieser Arbeit wird ein konstruktives Verfahren zur lokalen Funktionalisierung eines SAMs entwickelt. Hierbei wird das Laserverfahren auf einer aliphatischen Monoschicht in einem reaktiven Medium, nämlich Bromgas durchgeführt. Die Bromierung erlaubt die bequeme Einführung von vielen verschiedenen funktionellen Gruppen. Auf diese Weise ist eine chemische Strukturierung der SAMs und schließlich der Aufbau von komplexen Strukturen z.B. durch die Anbindung von Nanopartikeln und Biomolekülen möglich.

Self-Assembled organic monolayers (SAMs) may serve as a link between inorganic solids and organic or biological materials. Although SAMs represent a very simple nanostructure, they find numerous applications, because they allow for a fine-tuning of macroscopic surface properties. To build up more complex nanostructures techniques are required, which allow for a fabrication of laterally patterned SAMs. This opens up new possibilities for applications of SAMs in the fields of analytics, biochemistry and electronics. Laser direct writing techniques, which are considered in this thesis, use focussed laser beams as a flexible and fast means in order to pattern SAMs under ambient conditions. In contrast to photochemical processes, where reactions are initiated by electronic excitations, photothermal processes rely on a local temperature rise in the substrate to initiate a reaction, e. g. a thermal decomposition or desorption of the SAM. Because of the nonlinear dependence of the reaction rate on the local temperature, structures, which are smaller than the laser spot, can be fabricated. The primary goal of this work was to develop a constructive method, which allows for local functionalization and hence chemical patterning of organic monolayers. In contrast to destructive methods, which rely on a decomposition of the monolayer, chemical patterning opens up an avenue to complex surface patterns such as multifunctional templates. As a prototype photothermal functionalization routine, laser processing of unfunctionalized aliphatic monolayers in a reactive bromine atmosphere is considered. Bromination of alkanes provides a convenient pathway toward a variety of different functional groups. Hence, overall, this approach provides a simple means to build up functional surface architectures, e.g. via attachment of nanoparticles or biomolecules.

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Klingebiel, Benjamin: Laserinduzierte Bromierung organischer Monoschichten. 2012.

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