Lächelnder Krebs mit Zylinder im Labor
Information
Wir untersuchen umfassend die strukturellen und physikalischen Eigenschaften ultradünner hochgeordneter Schichten (sowohl Molekülfilme als auch 2D Materialien) auf unterschiedlichen einkristallinen Substraten, um die Grundlagen für zukünftige opto-elektronische Bauelemente zu schaffen.
Sie interessieren sich für eine Bachelor-, Master- oder Doktorarbeit? Dann vereinbaren Sie bitte per E-Mail (Prof. Dr. Torsten Fritz) einen Gesprächstermin. Wir werden dann gemeinsam mit Ihnen ein Thema finden, das zu Ihren speziellen Interessen und Fähigkeiten am besten passt und welches sich in unsere aktuelle Forschung eingliedert. Gerne können Sie auch schon in der vorlesungsfreien Zeit bei uns reinschauen und die Labore sowie die Kollegen kennenlernen.
TBPe und Perylen
Im Rahmen dieser Arbeit sollen die Eigenschaften der beiden organischen Moleküle 2,5,8,11-Tetra-tert-butylperylen (TBPe) und Perylen (Pe) (siehe Abb.) auf Ag(111) und Glimmer untersucht werden. Während letzteres für die Aufklärung der optischen Absorptionsbanden nützlich ist, bietet Ag(111) auch einen guten Ausgangspunkt für den Vergleich der auftretenden Strukturen (STM, LEED) und der besetzten elektronischen Zustände (PES). Dieses Projekt bietet neben einem Einblick in verschiedene Methoden der Oberflächenphysik auch einen guten Vergleich des Einflusses der zusätzlichen Molekularen Endgruppen des Moleküle TBPe. Während für TBPe bereits Ergebnisse in der Arbeitsgruppe als Anhaltspunkt dienen, betreten wir mit Pe in diesem Punkt in unserer Gruppe Neuland. Der Vergleich beider Moleküle wird bisher vor allem für die organische Elektronik untersucht.
Veranschaulichung der Wechselwirkung optischer Übergangsdipolmomente in MePTCDI-Monolagen
Bedeutende Vorteile organischer Halbleiter gegenüber anorganischen Materialien sind ihre um mehrere Größenordnungen stärkere Lichtabsorption, sowie der Fakt, dass sowohl Lichtemission als auch -absorption sehr stark wellenlängenselektiv sind. Dies prädestiniert sie für optoelektronische Bauelemente (OLEDs, OSCs). Dabei sind die optischen Eigenschaften ultradünner Molekülschichten (typischerweise nur 1 Monolage dick), die hochgeordnet auf geeigneten Substraten gewachsen werden, geprägt durch das Zusammenspiel von Einzelmoleküleigenschaften und der optischen Kopplung in 2D-Aggregaten.
Kürzlich wurde in einer Veröffentlichung von Jürgensen et al. ein Modell zur Beschreibung der optischen Wechselwirkung von Molekülen vorgestellt (ACS Nano 2023, 17, 17350−17358).
In dieser Arbeit sollen zunächst eigene spektrale Messwerte für das Molekül MePTCDI auf epitaktischem Graphen (EG) sowie KCl-Spaltflächen aufgenommen und mit denen der o.g. Arbeit verglichen werden. Die beiden Probensysteme sind – soweit möglich – strukturell zu charakterisieren. Weiterführend soll das in der Literatur vorgestellte Modell der optischen Wechselwirkung in einem numerischen Algorithmus implementiert werden.
Für eine BA wird der Umfang entsprechend reduziert.
R-BINAP und S-BINAP
Die Kontrolle über die Spin-Polarisation von Elektronen ist für die Elektronik der nächsten Generation (sog. Spintronik) von sehr großem Interesse. Bisher wird dies häufig mit Hilfe von ferromagnetischen Materialien realisiert. Ein neuartiger Ansatz basiert auf der Verwendung chiraler Moleküle, welche auf Oberflächen abgeschieden werden. Solche Moleküle sind von der chemischen Strukturformel her identisch, jedoch zueinander spiegelsymmetrisch und nicht deckungsgleich. Erste Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe an ultradünnen Schichten der chiralen Moleküle R-BINAP und S-BINAP haben gezeigt, dass die Strukturbildung tatsächlich von der Chiralität beeinflusst wird. Die Herausforderung besteht darin, mit der Wahl der Substratoberfläche und Optimierung der Präparationsbedingungen möglichst große, hochgeordnete Moleküldomänen zu erzeugen. Die dreidimensionale Struktur von R- und S-BINAP erschwert allerdings die Strukturaufklärung mittels niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) und Rastertunnelmikroskopie (STM). Aus diesem Grund soll im Rahmen dieser Abschlussarbeit untersucht werden, wie sich die chiralen Eigenschaften mittels Oberflächenreaktionen in einem planaren Molekül erhalten lassen.
Reprinted with permission from Y. Shao et al. Nano Lett. 18, 2133 (2018). Copyright 2022 American Chemical Society.
In unserer Arbeitsgruppe wurde bisher erfolgreich die Präparation verschiedener zweidimensionaler Materialien realisiert. Dazu zählen epitaktisches Graphen, hexagonales Bornitrid und blaues Phosphoren. Diese Materialien bieten zum einen selbst spannende physikalische Erkenntnisse, dienen uns aber auch als Substrate für die Untersuchung organischer Moleküle.
In dieser Masterarbeit soll die Herstellung eines für uns neuen 2D-Materials aus elementarem Antimon etabliert werden. Dieses sogenannte Antimonen wurde erst 2016 erstmals experimentell realisiert. Die physikalischen Eigenschaften dieses Halbleiters reichen von guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit bis zu einer berichteten guten Beständigkeit gegenüber (feuchter) Luft. Insbesondere letzteres wäre ein großer Vorteil gegenüber dem bereits erwähnten blauem Phosphoren.
Aus diesen Gründen sind wir sehr daran interessiert, in diesem neuen Gebiet der Forschung mitzuwirken, und Antimonen mit unseren Methoden strukturell (LEED, STM) sowie elektronisch (PES) zu untersuchen. Dazu interessiert uns hier insbesondere das Wachstum auf zweidimensionalen Schichten aus hexagonalem Bornitrid oder epitaktischem Graphen, um die Bildung von metallischen Legierungen zu verhindern.
Für eine Bachelorarbeit wird der Umfang entsprechend reduziert.
Benzen, Coronen, HBC
Das Konzept der Aromatizität ist elementar wichtig für das Verständnis der chemischen Reaktivität eines organischen Moleküls. Die Aromatizität spielt ebenfalls eine große Rolle für das Verständnis der Eigenschaften von adsorbierten Molekülschichten und somit für den Einsatz in organisch-basierten Bauelementen. Als Maß für die Aromatizität hat sich in der Forschung das sogenannte Harmonic Oscillator Model of Aromaticity (HOMA) etabliert. Es vergleicht die C-C Bindungslängen in einem Molekül mit denen in Benzen, welches als Referenzsystem den HOMA-Wert 1 zugewiesen bekommt. Damit lassen sich aus den experimentell oder theoretisch ermittelten Strukturdaten eines Moleküls Aussagen über dessen Reaktivität treffen.
In dieser Arbeit sollen polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) systematisch untersucht sowie deren Aromatizität im Rahmen des HOMA-Modells ausgewertet werden. Ausgehend von ersten Benchmark-Rechnungen unserer Gruppe in Kooperation mit der TU Graz sollen dazu homologe Reihen von PAHs aufsteigender Größe analysiert werden. Um die Belastbarkeit der eigenen Rechnungen zu beurteilen, sollen verschiedene Funktionale Einsatz finden und die Reproduzierbarkeit der Rechenergebnisse quantitativ geprüft werden.
Diese Arbeit richtet sich an Studierende, die sich für Computational Chemistry Methoden interessieren.
STM-Aufnahme der zu untersuchenden Phase von HHTP auf Ag(111): Das Bild zeigt einen 200 nm x 200 nm großen Ausschnitt der Phase. Insgesamt wurden ca. 30.000 Moleküle abgebildet, verteilt auf knapp 170 Dreiecke.
Organische Moleküle können auf Oberflächen hochgeordnete Strukturen ausbilden. Die Relation zwischen dem Substrat und der Molekül-Überstruktur wird als Epitaxie bezeichnet. Epitaxie kann in verschiedene Typen eingeordnet werden, um so die Struktur zu klassifizieren.
Das Molekül 2,3,6,7,10,11-Hexahydrotriphenylen (HHTP) zeigt auf Silber eine strukturelle Phase, welche nicht trivial in eine der Epitaxie-Klassen eingeordnet werden kann. Diese Struktur zeigt, neben der direkten kommensurablen Molekülanordnung, eine langreichweitige Überstruktur in Form von Dreiecken. Hierbei besitzen die Ränder der Dreiecke eine andere molekulare Packung als das Innere. Die Größe der Dreiecke ist vermutlich über eine Änderung der thermodynamischen Parameter veränderbar. Bemerkenswert ist, dass diese Überstruktur eine chirale Ausrichtung (Händigkeit) zeigt, was als ein Hinweis auf das Verändern der chemischen Struktur des HHTPs gedeutet werden kann. In einer Bachelorarbeit wurden bereits erste Untersuchungen zu dieser Struktur unternommen. Ziel ist es, eine Erklärung für die Entstehung dieser Phase zu finden, und diese gezielt über Veränderung von Temperatur, Dampfdruck und anderen Parametern zu manipulieren. Die Analyse der Struktur soll dann ausführlich mittels scanning tunneling microscopy (STM) durchgeführt werden.
Diese Masterarbeit richtet sich an Studierende, die Interesse an chemischen und thermodynamischen Prozessen an Oberflächen haben.
Don’t stop believin’ the journey to new phases: Schematische Darstellungen verschiedener Phasen von HHTP auf einer Cu(111) Oberfläche. Mittels Variation der thermodynamischen Parameter (hier die Substrattemperatur) lassen sich unterschiedliche Phasen herstellen. Diese Phasen können sich zum Teil drastisch in ihren Formen und Eigenschaften unterscheiden.
Abhängig von den thermodynamischen Parametern bilden organische Moleküle verschiedene Strukturen auf Oberflächen. Diese Strukturen haben einen wesentlichen Einfluss auf andere physikalische Eigenschaften, wie z.B. die elektronische Bandstruktur. Daher ist es essenziell, die ausgebildeten Strukturen zu verstehen und den Rahmen der Herstellungsparameter zu kennen.
Das organische Molekül 2,3,6,7,10,11-Hexahydrotriphenylen (HHTP) ist bekannt dafür, verschiedenste Phasen auf unterschiedlichen Substraten zu bilden. So wurden bereits unterschiedliche Phasen auf Silber untersucht, welche durch Veränderung der Substrattemperatur herstellbar sind. Ziel der Bachelorarbeit ist es, die Strukturen von HHTP auf einer Kupferoberfläche zu untersuchen und mögliche andere Phasen durch ein Verändern der Substrattemperatur zu finden. Diese Veränderung kann bereits während der Bedampfung erfolgen oder im Nachhinein durch Wärmezufuhr. Die anschließende Charakterisierung der Strukturen erfolgt mittels low-energy electron diffraction (LEED), sowie scanning tunneling microscopy (STM). In Kombination bieten diese Methoden die Möglichkeit, die Gitterparameter mit sub-Ångström Genauigkeit zu bestimmen und den Inhalt der Einheitszelle aufzulösen.