Methodenfeld C: Nanotools

Dip-Pen Lithographie

Koordinator: Harald Fuchs, Physikalisches Institut

Dieses Methodenfeld bildet im SoN die übergreifende methodische Plattform. Nanotools werden in den beiden Forschungsfeldern A und B benötigt, um sowohl funktionalisierte Nanomaterialien herzustellen als auch ihre Struktur und Funktion zu analysieren. Zu diesem Zweck sollen Verfahren der Nanofabrikation, d.h. Selbstorganisation und Lithograohie, sowie Methoden der Analytik angepasst an die Anforderungen im SoN über den heutigen Stand hinaus weiterentwickelt werden. Die Nanotools lassen sich daher in zwei Gruppen unterteilen:

  1. Werkzeuge zur kontrollierten Herstellung funktionaler Nanomaterialien zur aktiven und steuerbaren Selbstorganistion von Nanosystemen,
  2. Nanoanalytische Techniken zur lokalen Spektroskopie und Strukturuntersuchung an frei vorwählbaren Orten mit Nanometer-Präzision und bis hin zu einer atomaren Auflösung.

Die Entwicklung von Nanotools hat in Münster eine lange Tradition, wobei in einigen Bereichen eine international führende Position eingenommen wird. Neben speziellen Prozeduren für die Grundlagenforschung gelang es in einer Reihe von Fällen, die hier entwickelten Verfahren bis zur Marktreife zu bringen und weltweit mit großem Erfolg zu vermarkten.

Quelle: Fuchs,  NatureNano



© H.F. Arlinghaus

Heinrich F. Arlinghaus, Physikalisches Institut
Nanoanalyse mit ToF-SIMS / Laser-SNMS

Zur Bestimmung wichtiger physikalischer und chemischer Eigenschaften von molekularen Nanostrukturen ist eine genaue Charakterisierung ihrer chemischen Zusammensetzung von großer Bedeutung. Dies erfordert die Beantwortung von drei zentralen Fragen: Welche Elemente, Isotope, Moleküle bzw. funktionellen Gruppen sind vorhanden? In welchen Konzentrationen liegen diese Komponenten vor? Wie sind sie lateral bzw. in der Tiefe verteilt? Zur Beantwortung dieser Fragen werden in der Arbeitsgruppe Arlinghaus die massenspektrometrischen Verfahren ToF-SIMS (Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie) und Laser-SNMS (Lasernachionisierungs-Sekundärneutralteilchen-Massenspektrometrie), sowie ein weltweit einzigartiges Kryo-ToF-SIMS/Laser-SNMS-Kombinationsinstrument mit integrierter Hochvakuum-Kryoschnitt-Vorrichtung als Nanotools für Anwendungen auf dem Gebiet der Life Sciences weiterentwickelt; gleichzeitig werden grundlagen- und anwendungsorientierte Fragestellungen untersucht. In interdisziplinären Kooperationen mit zahlreichen akademischen und industriellen Partnern konnten die Verfahren bereits zur Lösung vieler technologisch wichtiger, analytischer Fragestellungen eingesetzt werden, beispielsweise in der molekularen Spurenanalytik, der Synthese molekularer Funktionsschichten zur Entwicklung von DNA/PNA/Protein/Peptid-Biosensor-Chips, in der Differentialdiagnose und für pharmakokinetische Untersuchungen in Zielgeweben, in der Biomineralisierung, sowie in der Charakterisierung von Nanopartikeln in der Umwelt und in Zellen. So wurden bei der Spurenanalyse von Biomolekülen Einzelsubstanzen mit Nachweisgrenzen bis in den attomol-Bereich nachgewiesen und identifiziert, sowie kleinste Mengen pharmazeutischer Wirkstoffe und Abbauprodukte in Zellkulturen und Gewebezellen mit nanoskaliger 3D-Auflösung lokalisiert und quantifiziert.

Relevante Vorarbeiten:

  1. “Improved 3D-imaging of a sirolimus/probucol eluting stent coating using laser postionization secondary neutral mass spectrometry and time-of-flight secondary ion mass spectrometry.” A. Pelster, B. J. Tyler, M. Körsgen, R. Kassenböhmer, R. E. Peterson, M. Stöver, W. E. S. Unger, H. F. Arlinghaus, Biointerphases 2016, 11, 041001/1-10.
  2. "ToF-SIMS and laser-SNMS analysis of Madin-Darby canine kidney II cells with silver nanoparticles using an argon cluster ion beam.” R. Nees, A. Pelster, M. Körsgen, H. Jungnickel, A. Luch, H. J. Galla, H. F. Arlinghaus, Biointerphases 2016, 11, 02A305/1-5.
  3. “Characterization of freeze-fractured epithelial plasma membranes on nanometer scale with ToF-SIMS.” F. Draude, M. Körsgen, A. Pelster, T. Schwerdtle, J. Müthing, H. F. Arlinghaus, Anal. Bioanal. Chem. 2015, 407, 2203-2211.

Abbildung: Zu den weltweit am häufigsten eingesetzten Medikamente freisetzenden Systemen zählen Medikamente-freisetzende Stents (DES). Die 3D-ToF-SIMS-Abbildung (laterale Auflösung <150 nm) einer DES-Beschichtung zeigt die obersten ~1 µm der Beschichtung. Zu sehen ist eine Überlagerung der Signale C5H10N+ (Sirolimus, freizusetzendes Medikament, grün dargestellt) und C17H27SO+ (Probucol, Matrix, blau dargestellt). Zusätzlich werden verschiedene Sputterionendosisdichten (SpIDD) und die korrespondierenden Schichttiefen bis zu einer Tiefe von 1 µm dargestellt. Man erkennt, dass sich das Medikament an der Oberfläche anlagert. Etwa 40 nm tiefer sind einzelne Matrixbereiche umlagert vom Medikament zu sehen. Nach etwa 150 nm Tiefe ist eine gleichförmige Verteilung von Medikament und Matrix zu erkennen, wobei einzelne Kanäle mit höherer Medikamentenkonzentration bis zu einer Tiefe von 1 µm zu erkennen sind. Darunter sind die Matrix und das Medikament gleichförmig in der DES-Beschichtung verteilt (nicht gezeigt).

Quelle: 1.


Funktionalisierung der mit Goldpunkten strukturierten Oberfläche durch verschiedene organische Moleküle

Lifeng Chi, Physikalisches Institut
Nanostrukturierte biochemische Oberflächen

Strukturierte Oberflächen einer mikro- bzw. nanoskaligen Größenordnung erwiesen sich als besonders wertvolle Plattform zur Zellimmobilisierung im Bereich des Molekularen Engineering. Ein gesteigertes Interesse gilt dabei der Untersuchung des Einflusses strukturierter Oberflächen auf das Zellverhalten, zu dem u. a. die Zelladhäsion, Zelldifferenzierung und Zellproliferation zählen. Das Ziel dieser Studien ist die Erschaffung einer biomimetischen Umgebung definierter chemischer und physikalischer Eigenschaften, um ein tieferes Verständnis über die Interaktionen von Zellen mit ihrer Umgebung zu erhalten.

Unsere Gruppe ist überaus erfahren in der Herstellung mikro- und nanostrukturierter Oberflächen mithilfe von „bottom-up“ und „top-down“ Methoden sowie der Kombination beider Strategien und der weiteren chemischen Modifikation der Oberflächen. Durch die Verwendung einer Oberflächenstrukturierung ist unsere Gruppe seit einigen Jahren dazu in der Lage einen wesentlichen Einfluss der Struktur auf das Zellverhalten festzustellen. Zum Beispiel zeigten Osteoblasten, phytopathogene fungi Magnaporthe Grisea und Pucinnia Graminis Zellen eine eindeutige topographische Ausrichtung entlang der durch Langmuir-Blodgett Lithographie (LBL) erzeugten Oberflächenstrukturierung; menschliche embryonale Stammzellen (hESC), die dazu in der Lage sing in drei Keimblätter zu differenzieren, differenzieren bevorzugt nach der neuronalen Zellabstammung auf linear strukturierten Oberflächen; das Wachstum einiger Krebszellen auf strukturierten Oberflächen kann wirksam unterdrückt werden.

In zukünftigen Arbeiten wollen wir uns auf das Verhalten embryonischer Stammzellen und Krebszellen auf strukturierten aber auch chemisch modifizierten Oberflächen fokussieren, was in Kollaboration mit dem Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin (MPI Münster) sowie medizinischen/biologischen Gruppen der WWU erfolgen wird. Des Weiteren ist die Untersuchung durch die Anwendung äußerer Kräfte, wie mechanischer Kräfte oder elektrischer Felder, geplant. Basierend auf dem Verständnis der Mechanismen hinter diesen Effekten soll die langfristige Zielsetzung die Entwicklung von Oberflächen bzw. Grenzflächen für eine klinische Anwendung in der regenerativen Medizin umfassen.

Relevante Vorarbeiten:

  1. “Tunable organic hetero-patterns via molecule diffusion control.” H. Wang, W. Wang, L. Li, M. Hirtz, C. G. Wang, Y. Wang, Z. Xie, H. Fuchs, L. Chi, Small 2014, 10, 3045-3049.
  2. “Addressable organic structure by anisotropic wetting.” W. Wang, C. Du, L. Li, H. Wang, C. Wang, Y. Wang, H. Fuchs, L. Chi, Adv. Mater. 2013, 25, 2018-2023.
  3. “Patterned nucleation control in vacuum deposition of organic molecules.” W. C. Wang, D. Y. Zhong, J. Zhu, F. Kalischewski, R. F. Dou, K. Wedeking, Y. Wang, A. Heuer, H. Fuchs, G. Erker, L. F. Chi, Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 225504.

Quelle: “Tunable multicolor ordered patterns with two dye molecules.” W. Wang, C. Du, H. Bi, Y. Sun, Y. Wang, C. Mauser, E. Da Como, H. Fuchs, L. Chi, Adv. Mater. 2010, 22, 2764-2769.


Harald Fuchs, Physikalisches Institut
Konstruktive Lithographie für biomimetische Oberflächen

Rastersondentechnologien haben das einzigartige Potential bei höchster Auflösung Grenzflächen biologischer Materialien direkt zu charakterisieren und funktionalisieren, da diese dazu fähig sind an feuchter Luft sowie wässriger Umgebung zu funktionieren. Massenparallele Tip-Array-Systeme bestehend aus einigen zehntausenden Tips sind dazu in der Lage pro Minute einige cm2 an Oberfläche mit Nanostrukturen zu versehen.

Mithilfe dieser Technik können biomimetische Systeme erhalten werden, die sich chemisch gesehen von Punkt zu Punkt unterscheiden können. So können z.B. Sensorarrays, welche eine strukturelle Veränderung durch die spezifische Adsorption von Moleküle erfahren, Allergenarrays sowie künstliche Verankerungsstellen für biologische Zellen und Modellsysteme für Membranflöße entwickelt werden. Es ist offensichtlich, dass diese Möglichkeiten eine intensive Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie und Biologie erfordern und damit ein wertvolles Werkzeug im SoN darstellt, welches darüber hinaus durch weitere Rastersondentechniken, hochauflösende Fernfeld-Optiken, Elektronenmikroskopie sowie oberflächenspezifische Analysemethoden ergänzt wird.


Christiane Höppener, Physikalisches Institut
Nahfeld-optische Mikroskopie

Der Forschungsschwerpunkt der Nachwuchsgruppe ‘NanoBioPhotonics’ liegt in der Untersuchung der Wechselwirkung von Licht und Materie auf der Nanometerskala. Ziel ist es hochauflösende Mikroskopieverfahren zu entwickeln und diese für spezielle biologische Fragestellungen anzuwenden. Dabei spielen neben der räumlichen Auflösung auch Verstärkungseffekte eine Rolle, um die Sensitivität und Detektionsgrenze weiter zu verbessern. Schlüsselelement hierfür sind optische Antennen, die neben einer lokalen Einschnürung optischer Felder auch die lokale Zustandsdichte der Umgebung eines Quantumemitters verändern können, und somit die Übergangsraten beeinflussen können. Diese ermöglicht die Untersuchung von Systemen, die eine geringe Photolumineszenz-Quantenausbeute aufweisen. Somit eröffnet die Antennen-verstärkte optische Mikroskopie/Spektroskopie die Möglichkeit natürlich fluoreszierende Proteine und Proteinkomplexe mit submikroskopischer Auflösung zu identifizieren und zu adressieren.


Jürgen Klingauf, Institut für Medizinische Physik und Biophysik

Die rationale Kontrolle des Wachstums von Neuronen und Zellen sowie der Ausbildung von synaptischen Kontakten auf funktionalisierten Substraten stellt eine Herausforderung dar, die eine besondere Entwicklung von Zellsystemen ermöglichen kann. Die Ergebnisse dieser Experimente werden das grundlegende Verständnis synaptischer Dynamik und Plastizität vertiefen und langfristig Impulse für die Entwicklung neuronaler Schnittstellen geben. Chirale oder durch Proteine modifizierte Oberflächen und synthetisierte biokompatible Gele werden das Zellwachstum u.a. für Implantate steuern. In diesem Themenfeld setzen auch die existierenden Kooperationen mit dem MPI für molekulare Biomedizin und im Rahmen des Exzellenzclusterantrags „Cells in Motion“ an. Als langfristige Perspektive kann der Einsatz adaptiver und responsiver Materialien in der regenerativen Medizin gesehen werden, wo ein synthetischer Ersatz der Epithelbarriere angestrebt wird.


Schematische Darstellung einer Licht-emittierenden Kohlenstoffnanoröhre die an einen optischen Wellenleiter (blau) gekoppelt ist und elektrisch kontaktiert ist (gelb)

Wolfram Pernice, Physikalisches Institut
Nanophotonik und Einzelphotonendetektion

Mit den Bausteinen der Nanophotonik werden optische Schaltkreise entwickelt, die analog zu elektronischen Schaltungen optische Signale verarbeiten. In solchen optischen Schaltkreisen übernehmen Wellenleiter die Rolle von elektrischen Leiterbahnen und führen Lichtsignale über die Chipoberfläche. Damit können komplexe optische Komponenten realisiert werden, die aus optimierten Einzelelementen zu intelligenten Gesamtsystemen verschaltet werden. Diese umfassen Nanoresonatoren, integrierte Interferometer, sowie chipbasierte Spektrometer und optische Speichermedien. Interessant für die Nanoanalytik sind solche nanostrukturierten Systeme, da sie es erlauben Oberflächeneffekte im optischen Nahfeld mit höchster Präzision auszulesen. Insbesondere hybride optische Schaltkreise, die traditionelle passive Materialien wie Silizium und andere Dielektrika mit funktionalen Nanokomponenten verbinden, bieten neue Möglichkeiten für die chipbasierte Sensorik, die Metrologie und die Oberflächenanalytik. Derartige Systeme werden mit photonischen Messmethoden analysiert und mit neuen Sensorkonzepten verknüpft, die den Strahlungsdruck ausnützen. Dadurch ergeben sich zusätzliche mechanische Freiheitsgrade in der Optik, aber auch Möglichkeiten optisch durchstimmbare Bauteile zu entwerfen.

Komplementär dazu untersuchen wir photonische Strukturen bei geringsten Intensitäten bis hin zum Betrieb mit einzelnen Photonen. Dazu werden Einzelphotonendetektoren auf Wellenleiter integriert, was zu hoher Effizienz, geringstem Rauschen und höchster Zeitauflösung führt. Da derartige Detektoren mittels skalierbarer Nanofertigung hergestellt werden und damit Reproduzierbarkeit mit höchster Performance verbinden, verknüpfen wir effiziente Detektorarrays mit photonischen Schaltkreisen um funktionale Einzelphotonensysteme zu realisieren. Wesentlich für diese Forschungsarbeiten sind die höchstauflösende Nanofertigung im Reinraum, Präzisionsmessmethoden und Simulationstechniken um das optische Verhalten der Schaltkreise vorherzusagen.

Relevante Vorarbeiten:

  1. “Fully integrated quantum photonic circuit with an electrically driven light source.” S. Khasminskaya, F. Pyatkov, K. Slowik, S. Ferrari, O. Kahl, V. Kovalyuk, P. Rath, A. Vetter, F. Hennrich, M. M. Kappes, G. Goltsman, A. Korneev, R. Krupke, W. H. P. Pernice, Nat. Photon. 2016, 10, 727-732.
  2. “Cavity-enhanced light emission from electrically driven carbon nanotubes.” F. Pyatkov, V. Fütterling, S. Khasminskaya, B. S. Flavel, F. Hennrich, M. M. Kappes, R. Krupke, W. H. P. Pernice, Nat. Photon. 2016, 10, 420-427.
  3. “Integrated all-photonic nonvolatile multi-level memory.“ C. Ríos, M. Stegmaier, P. Hosseini, D. Wang, T. Scherer, C. D. Wright, H. Bhaskaran, W. H. P. Pernice, Nat. Photon. 2015, 9, 725-732.

Quelle: W. Pernice.


Rasterelektronenmikroskopische Abbildung einer ultradünnen anodischen Aluminiumoxid-Membran (oben links). Elektrolytisch abgeschiedene Ni-Nanodrähte in porösem Aluminiumoxid. (unten links) reguläre Porenanordnung mit einem Porendurchmesser von nur 15 nm (oben rechts). Anodische Aluminiumoxidmembran: Poren gefüllt mit DAR Resin + PAA: poly acrylic acid + POR: porphine tetratosylate (unten rechts

Gerhard Wilde, Institut für Materialphysik
Funktionale Oberflächen-Nanostrukturen

Nanostrukturierte anorganisch/organische Hybridmaterialien bieten ein erweitertes und neues Potential für vielfältige Anwendungen in einem großen Spektrum von Bereichen, beispielsweise in der Gas- oder Biosensorik, in optisch aktiven oder optisch responsiven Flächen, hinsichtlich neuartigen Solarzellen mit organischen Lichtsammelkomplexen oder für den weiten Bereich der organischen Elektronik. Allen derartigen Hybridsystemen gemein sind komplexe elektronische Wechselwirkungen an der Grenzschicht zwischen einem anorganischen Trägermaterial, welches oft nanostrukturiert ist, und komplexen funktionalen Molekülen oder organisch/biologischen Baueinheiten. Darüber hinaus sind nichtlineare Rückkopplungen durch diese komplexe Grenzschicht von großer Bedeutung für die Funktionalität und Stabilität der Hybridsysteme.

Diese nichtlinearen Rückkopplungsmechanismen können beispielsweise durch den Ladungstransport durch die Grenzschicht hervorgerufen werden, da der Ladungstransport lokale Strukturmodifikationen hervorrufen kann, und diese Strukturänderungen bewirken wiederum eine Modifikation des Ladungstransports. Derartige Mechanismen sind generell für den Transport von Informationen (Photonen, Ladungen, Massen) durch komplexe Grenzschichten zu berücksichtigen, jedoch sind diese Mechanismen, die sowohl für die Funktionalität und Effizienz als auch für die Stabilität und Lebensdauer komplexer Hybridsysteme bestimmend sind, bislang nur wenig verstanden. Um nun derartige, komplexe Wechselwirkungen experimentell zu analysieren, ist es notwendig, möglichst präzise definierte und kontrollierbare Hybridsysteme zu erzeugen und hinsichtlich der atomaren und elektronischen Struktur der Grenzschicht mit ortshochauflösenden Methoden zu analysieren. Diese Ergebnisse fließen dann in die modellhafte Beschreibung der Ensemble-Eigenschaften ein, welche direkt mit Ergebnissen makroskopisch mittelnder experimenteller Verfahren abgeglichen werden können.

Genau an dieser Stelle setzten die Arbeiten der AG Wilde im Rahmen vom SoN an: Wir synthetisieren halbleitende Substrate, Isotopen-Heterostrukturen, nanostrukturierte Halbleiter-, Isolator- und Metalloberflächen, sowie nanoporöse Template mit exakt einstellbarer, hochgradig regulärer Topologie und Mikrostruktur. Diese Strukturen stellen die Trägersysteme dar, um komplexe molekulare Funktionseinheiten, welche durch die chemisch arbeitenden Gruppen im SoN (AG Glorius, AG Ravoo, AG Schönhoff, AG Strassert und AG Studer) synthetisiert werden, auf die Trägersysteme aufzubringen und anorganisch/organische Funktionseinheiten zu erzeugen. Die resultierenden Hybridsysteme sollen dann hinsichtlich der atomaren Struktur ihrer Grenzschicht gemeinsam mit den physikalisch arbeitenden Arbeitsgruppen analysiert werden. Hier kommt insbesondere die spezifische Expertise der Materialphysik zum Tragen, um nicht nur die Topologie sondern auch die komplexen Defektstrukturen an und in der Grenzschicht quantitativ aufzuklären. Unabdingbar für diese Studien ist die Möglichkeit, höchstauflösende Transmissionselektronenmikroskopie ohne Delokalisation der Strukturinformation durch sphärische Aberration an „edge-on“-orientierten Grenzschichten zu betreiben.

Darüber hinaus sollen in Kooperation mit der AG Fuchs höchstauflösende AFM/STM Methoden und in Kooperation mit der AG Zacharias Methoden zur Analyse der elektronischen Struktur von oberflächennahen Bereichen (XPS, Auger-Elektronenspektroskopie, Photoelektronenspektroskopie) zur Strukturanalyse eingesetzt werden. Hinsichtlich der experimentellen Analyse der Ensemble-Eigenschaften sind zunächst Messungen der Photolumineszenz von organischen Komplexen in nanoporösen Templaten, Messungen mit der Methode der Impedanzspektroskopie an nanostrukturierten organischen Halbleitern auf nanostrukturierten Oberflächen, sowie die Effizienz der Ladungsinjektion von biologischen Lichtsammelkomplexen in geordnete TiO2/Ru-Nanodraht-Anordnungen geplant, da diese experimentellen Analysen direkt mit unserer langjährigen Expertise im Bereich der Materialcharakterisierung verbunden sind. Die modellhafte Beschreibung der experimentellen Resultate, welche allein zu einem erweiterten Verständnis führt, soll hinsichtlich der nichtlinearen Rückkopplungen gemeinsam mit theoretisch arbeitenden Gruppen durchgeführt und durch molekulardynamische Simulationen (AG Doltsinis) ergänzt werden.

Relevante Vorarbeiten:

  1. “Surface Patterning using Templates: Concept, Properties and Device Applications.” Y. Lei, S. Yang, M. Wu, G. Wilde, Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 1247-1258.
  2. “Template-Confined Dewetting Process to Surface Nanopatterns: Fabrication, Structural Tunability, and Structure-Related Properties.” S. K. Yang, F. Xu, S. Ostendorp, G. Wilde, H. Zhao, Y. Lei, Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 2446-2455.
  3. "Non-destructive functionalisation for atomic layer deposition of metal oxides on carbon nanotubes: effect of linking agents and defects.” N. Kemnade, C. J. Shearer, D. J. Dieterle, A. S. Cherevan, P. Gebhardt, G. Wilde, D. Eder, Nanoscale 2015, 7, 3028-3034.

Quelle: G. Wilde.


Elektron Spinfilterung durch organisierte oligo dsDNA
© H. Zacharias

Helmut Zacharias, Physikalisches Institut
Elektronentransfer in funktionellen organischen Filmen

Wir sind interessiert an der Erforschung elektronischer Energie-, Ladungs- und Spintransferprozesse in organisierten funktionellen organischen Filmen u.a. auf SiC, einem bio-inerten Substratmaterial, das außerdem für elektronische Anwendungen von Interesse ist. Um das Zusammenspiel zwischen dem Adsorbat und dem Substrat sowie die Interaktion innerhalb der funktionellen Bestandteile der Adsorbate zu verstehen, wird die Lebensdauer der besetzten und nicht besetzten Zustände untersucht. Die SiC Substrate, die zuvor mithilfe organischer Linkermoleküle mit diversen organischen Farbstoffen sowohl nasschemisch als auch durch Verdampfung im Vakuum funktionalisiert wurden, werden durch inverse Photoemissions- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie sowie durch Pikosekunden-zeitaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie charakterisiert. Letzteres führt bereits zu einer örtlichen Auflösung der Position des Fluorophors.

Ultraschnelle Elektronentransferprozesse werden mithilfe zeitaufgelöster Zwei-Photonen-Photoemission (2PPE) unter der Verwendung von Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von wenigen zehn Femtosekunden untersucht. Die standardmäßige 2PPE-Spektroskopie beinhaltet keinerlei örtliche Informationen, da das detektierte Signal über den gesamten Lichtpunkt auf der Probe integriert. Zur Analyse struktureller Abhängigkeiten der Elektronentransferprozesse wird die Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) eingesetzt. Je nach Instrumententyp kann anhand dieser Methode eine örtliche Auflösung von 20 nm oder besser erhalten werden. Für diese Experimente verwenden wir einen optischen parametrischen Verstärker (OPA) gepumpt durch einen Ti:Saphir-Laser einer Pulsenergie von 1.1 mJ, einer Pulsdauer von 30 fs und Wiederholungsraten zwischen 1 und 10 kHz. Der OPA ist in Abhängigkeit der gewünschten Ausgangswellenlänge von 230 nm bis 2700 nm mit einer Pulsdauer zwischen 30 fs und 120 fs und einer Pulsenergie zwischen 2 µJ und 250 µL lückenlos in der Wellenlänge einstellbar. Eine motorisierte Delay Stage mit einem Michelson-artigen Interferometer spaltet die entstehenden Pulse in zwei separate Pulse auf, woraus eine einstellbare Verzögerung mit einer Femtosekunden genauen Auflösung resultiert.

Die Messung der Lebensdauer erlaubt eine empfindliche Beurteilung unterschiedlicher Umgebungen von Bindungen. Daher ist zu erwarten, dass sich Bindungsänderungen nicht-kovalent verknüpfter Bausteine eines funktionellen Materials ebenfalls aufzeigen lassen.

Relevante Vorarbeiten:

  1. “Spin selectivity in electron transmission through self-assembled monolayers of double-stranded DNA.” B. Göhler, V. Hamelbeck, T. Z. Markus, M. Kettner, G. F. Hanne, Z. Vagner, R. Naaman, H. Zacharias, Science 2011, 331, 894-897.
  2. “Femtosecond Electron Dynamics in Dye-Functionalized 6H-SiC(0001).” N. F. Kleimeier, D. K. Bhowmick, H. Zacharias, J. Phys. Chem. C 2015, 119, 27489-27495.
  3. “Fluorescence Properties of Perylene and Pyrene Dyes Covalently Linked to 6H-SiC(0001) and Silicate Surfaces.” D. K. Bhowmick, L. Stegemann, M. Bartsch, C. Strassert, H. Zacharias, J. Phys. Chem. C  2016, 120, 3275-3288.

Quelle: H. Zacharias.