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Struktur, Dynamik und Ordnung ultradünner Schichten aus Goldnanoclustern

Andrey Vasiliev, Heinz Rehage, Günter Schmid*

 

Institut für Physikalische Chemie II, Universität Dortmund, Otto-Hahn-Strasse 6, D-44227 Dortmund, Germany

*Institut für Anorganische Chemie, Universität Duisburg-Essen, Universitätsstrasse 5-7, D-45117 Essen, Germany

 

Cluster aus geordneten Metallnanopartikeln, die durch Tunnelbarrieren voneinander isoliert sind, lassen sich zukünftig im Bereich der Nanoelektronik einsetzen. Die interessanten potenziellen Anwendungen dieser Systeme im Bereich der Materialwissenschaften beruhen auf ihren außergewöhnlichen Transporteigenschaften und den charakteristischen, optischen Verhaltensweisen. Goldcluster zeigen aufgrund ihrer geringen Größe bereits bei Raumtemperatur interessante „Quantumsize“-Effekte. Die Cluster bestehen aus 55 Au-Atomen und ihr Durchmesser beträgt 1,4 nm. Sie sind voneinander durch verschiedene organische Ligandenhüllen geschützt bzw. getrennt. Um die elektrischen Eigenschaften ultradünner, geordneter Schichten aus Goldnanoclustern zu untersuchen, sollten die entsprechenden Filme möglichst definiert und homogen aufgebaut werden.

Die Filmbildung auf der Wasseroberfläche wurde durch Druck/Flächen–Isothermen und die Brewsterwinkel-Mikroskopie (BAM) charakterisiert. Das Verhalten der Cluster auf verschiedenen Substraten wurde mithilfe der Kontrast-Lichtmikroskopie, TEM und AFM bestimmt. Nach der Spreitung bildeten die Cluster fraktale Domänen aus, die getrennt voneinander vorlagen (Abb. 1).

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Abb. 2 : TEM Aufnahme der Filme aus Au55(PPh3)12Cl6 und Goldkolloide. Textfeld: Abb. 1 : BAM Aufnahme der Au55(PPh3)12Cl6 Schicht.

Dieses Phänomen der Selbstorganisation beobachteten ebenfalls andere Arbeitsgruppen [1]. Die Bildung von Aggregaten wurde mittels TEM-Aufnahmen bestätigt (Abb. 2). Geschlossene, dicht gepackte Schichten wurden mithilfe der Langmuir-Blodgett-Technik (LB) hergestellt und auf das Substrat übertragen.

Die vollständige Bildung geschlossener Strukturen wurde durch die bereits vorhandenen zweidimensionalen Aggregate verhindert. Die Zugabe von Additiven verhinderte die Aggregationstendenz und führte zu einer deutlichen Verbesserung der Struktur. Wie der Vergleich der Cluster mit verschiedenen Liganden zeigte, spielten die umgebenden Schutzhüllen offenbar eine große Rolle beim definierten Aufbau der Schichten.

Die zweidimensionalen, kompakten Strukturen wurden mithilfe der mehrfachen Einbringung und Verdampfung von Lösungsmitteln auf die komprimierten Monolayer beeinflusst. Die hergestellten Aggregate wurden durch Linker Moleküle wie TBBT (4,4’-Thiobis(benzoldithiol)) oder ähnliche Substanzen zusammengebunden.

In ergänzenden Messungen wurde auch das Oberflächenpotenzial der Goldclusterfilme auf der Wasseroberfläche bestimmt. Je nach Cluster stiegen die Werte bis zu 1100 mV. DV/A-Isothermen stellen eine informative Ergänzung zur Aufnahme von Oberflächendrücken dar. Mittels Oberflächenpotenzialmessungen ist es gelungen, die Domänenbildung nachzuweisen, und neue Informationen über die Schichtbildung zu gewinnen.

 

[1] Schmid, G.; Advanced Engineering Materials, 2001, 3, No. 10, 737-743. "Nanoclusters – Building Blocks for Future Nanoelectronic Devices?"