Authors:	Richter, Antje
Title:	On-surface reactions of alkyne molecules on calcite (10.4)
Online publication date:	15-Jul-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	For fabrication of future electronic nanoscale devices, directly on a support surface, suitable building block units have to be identified. A promising approach is the so-called molecular electronics, which suggests single molecules or molecular groups as substitute for electronic components. For the creation of electronic circuits, conductive wire-like molecular arrangements are necessary to connect these functional units. To create well-defined aggregates in a fast and serial manner at the molecular level, self-assembly has proven to be a promising approach. Nevertheless, since self-assembly relies on reversible interactions, the obtained structures are somewhat fragile. To stabilize molecular structures, on-surface synthesis has been proven to be a highly versatile tool. The stabilization is obtained by the formation of covalent bonds directly on an appropriate substrate surface. In the view of molecular electronics, the on-surface created molecular structures need to be conductive. Therefore, conjugated molecular structures have been suggested as promising candidates. Additional, it is mandatory to decouple the formed molecular devices from the support surface. Therefore, the aim of this thesis is to create wire-like conjugated molecular structures on a bulk insulator surface. To reach this goal, molecular precursors equipped with terminal alkyne and diyne functionalities were chosen. The experiments were performed in ultra-high vacuum using frequency-modulated atomic force microscopy. For all investigated molecules, first the structure formation of the as deposited monomer precursors was characterized at the nanoscopic scale. Secondly, the initiation of the reaction was performed upon thermal, photochemical and sometimes even combined stimulation experiments. For two molecular precursors, density functional theory (DFT) calculation were done. The optimizations provide insights into the molecular arrangement after deposition and the structure formation of the precursors after reaction initiation. Additional, detailed parameter variations of e.g., time, wavelengths and temperature were performed to investigate the influence of these parameters on the structure formation. Finally, this thesis provides, for the first time, evidence for a successful diacetylene polymerization, an acetylene polymerization and a homocoupling reaction on a bulk insulator surface. For the two first named reactions, molecular wire-like structures were obtained, which are interesting as molecular wires for future molecular electronics. Für die Herstellung zukünftiger nanostrukturierter Elektronikbauteile, direkt auf einer Trägeroberfläche, müssen geeignete Komponenten gefunden werden. Ein vielversprechender Ansatz besteht in der Verwendung einzelner Moleküle oder Molekülgruppen als Ersatz für elektronische Bauteile, die sogenannte molekulare Elektronik. Um diese molekulare Bauelemente zu elektronischen Schaltkreisen zu verbinden, sind leitfähige, molekulare Drähte notwendig. Diese Strukturen sollen schnell und seriell erzeugt werden, dafür ist die Selbstorganisation ein vielversprechender Ansatz. Allerdings sind die so erzeugten Strukturen langfristig nicht stabil, da sie lediglich auf reversiblen Wechselwirkungen basieren. Zur Stabilisierung molekularer Strukturen hat sich die Synthese auf der Oberfläche als äußerst vielseitiges Werkzeug erwiesen. Durch die Bildung kovalenter Verknüpfungen kann eine Stabilisierung der molekularen Strukturen direkt auf der Substratoberfläche erreicht werden. In Hinblick auf zukünftige Anwendungen in der molekularen Elektronik, müssen die auf der Oberfläche erzeugten Strukturen leitfähig sein. Vielversprechende Kandidaten dafür stellen konjugierte Molekülstrukturen dar. Weiterhin ist es notwendig, die auf der Oberfläche erzeugten Strukturen vom darunterliegenden Substrat zu entkoppeln. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Synthese von konjugierten eindimensionalen Molekülstrukturen auf einem Nichtleiter. Um die gewünschten Strukturen zu erzeugen, wurden Moleküle mit terminaler Alkingruppe und Diacetylenfunktionalität ausgewählt. Die Versuche wurden im Ultrahochvakuum mit frequenzmodulierter Rasterkraftmikroskopie durchgeführt. Für alle untersuchten Moleküle wurde zunächst die Selbstanordnung auf der Calcit (10.4) Oberfläche untersucht. Anschließend erfolgte die Initiierung der Reaktion durch thermische, photochemische oder teilweise kombinierte Anregung. Für zwei Monomerstrukturen wurden Dichtefunktionaltheorie (DFT) Rechnungen durchgeführt. Die Optimierungen liefern Einblicke in die molekulare Strukturbildung nach der Deponierung und die Strukturbildung der Moleküle nach Initiierung der Reaktion. Des Weiteren liefern Versuche mit detaillierten Parametervariationen wie beispielsweise der Zeit, des Wellenlängenbereichs und der Temperatur, einen Einblick des Einflusses der Parameter auf die Strukturbildung. Abschließend liefert diese Arbeit erstmals Hinweise für eine erfolgreiche Diacetylenpolymerisation, eine Acetylenpolymerisation und eine Homokupplungsreaktion auf einer bulk-Oberfläche. Für die beiden erstgenannten Reaktionen wurden molekulare eindimensionale Strukturen erhalten, die als molekulare Drähte für die zukünftige molekulare Elektronik interessant sind.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2161
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000021019
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	vi, 141 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen