Synthese und Charakterisierung neuartiger Graphennanostreifen und Graphenmoleküle mit Armlehnen- und Zickzack-Kanten

Abstract

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Synthese und Charakterisierung von Graphenausschnitten in Form von Graphennanostreifen und kleinen Graphenmolekülen. Aufgrund ihrer definierten Form und der Randstruktur weisen diese im Gegensatz zu Graphen eine endliche Bandlücke auf. Im ersten Kapitel wird zunächst die „Bottom-up“-Synthese eines Armlehnen-Graphennanostreifens (AGNR) mit einer Breite von neun Kohlenstoffatomen ausgehend von einem neuartigen o-Terphenyl-Monomer vorgestellt. Die beiden Schlüsselschritte stellten dabei die Polymerisation zum Poly-para-phenylen-vorläufer und dessen anschließende Cyclodehydrierung auf einer Gold(111)-Oberfläche dar. Der resultierende GNR konnte mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und nicht-Kontakt-Rasterkraftmikroskopie (nc-AFM) visualisiert werden und der präzise Einbau eines jeden Atoms des Monomers verifiziert werden. Über Rasterkraftspektroskopie (STS) konnte eine geringe Bandlücke von 1.4 eV festgestellt werden. Ausgehend von diesem neuen Konzept zur Synthese von defektfreien GNRs konnten erstmals Feldeffekttransistoren (FETs) mit hoher Effizienz und hohem An/Aus-Verhältnis realisiert werden, welche die Werte für top-down-GNRs deutlich übertreffen. Weiterhin wurde eine Modellverbindung als kleiner Ausschnitt eines 9-AGNRs synthetisiert und charakterisiert, welche demonstrierte, dass die oxidative Cyclodehydrierung auch im Labormaßstab durchführbar ist. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde ein Synthesekonzept entwickelt, welches die bisher nicht mögliche Darstellung von Graphennanostreifen mit reinen Zickzack-Kanten (ZGNRs) zum Ziel hatte. Nach erfolgreicher Synthese verschieden substituierter Monomere mit Benzo[m]tetraphen-Grundgerüst konnten diese unter Ultrahochvakuum-Bedingungen zunächst polymerisiert und anschließend Planarisiert werden. Die erhaltenen hochreaktiven ZGNRs wurden ebenfalls via nc-AFM und STM visualisiert und deren Randzustände mit Hilfe von STS charakterisiert. Desweiteren konnte das entwickelte Syntheseprotokoll auf die Herstellung eines HBC-Derivats mit vier K-Regionen angewendet und modifiziert werden. Der erhaltene Ausschnitt eines 6-ZGNRs konnte über Massenspektrometrie, FTIR-, Raman- und UV/Vis-Spektroskopie analysiert und charakterisiert werden.

This work is dedicated to the synthesis and characterization of small cutouts of graphene in terms of Graphene-Nanoribbons (GNRs) and Graphene-Molecules. Due to their defined shapes and edge-structures, such building blocks show a finite bad gap in contrast to pristine graphene. In the first chapter, the “Bottom-Up”-synthesis of an Armchair-Graphene-Nanoribbon (AGNR) with a width of nine carbon atoms is introduced, starting from a novel o-terphenyl monomer. The keysteps are the polymerization toward a poly-para-phenylene-precursor and its subsequent cyclodehydrogenation on an Au(111)-surface. The resulting GNR could be visualized via scanning tunneling microscopy (STM) and non-contact atomic force microscopy (nc-AFM). Thus, the incorporation of every single atom of the monomer could be verified. A low band gap of 1.4 eV was revealed via scanning tunneling spectroscopy (STS). Starting from this concept for the synthesis of perfect AGNRs, field effect transistors (FETs) with high efficiencies and high on/off-ratio were realized for the first time, outperforming top-down GNRFETs by several magnitudes. Furthermore, a small cutout of 9-AGNRs was synthesized and studied, demonstrating the oxidative cyclodehydrogenation in solution which can be performed in large scale. In the second part, a synthetic concept was developed, allowing the elusive creation of GNRs with pure zigzag edges (ZGNRs). After the successful synthesis of U-shaped benzo[m]tetraphene-monomers with different substitution patterns, it was possible to polymerize those followed by planarization toward 6-ZGNRs under ultrahighvacuum (UHV) -conditions. The received highly reactive ZGNRs could also be visualized via STM and nc-AFM while the localized edge states were revealed for the first time via STS. In addition to that, the developed synthetic protocol was adapted to obtain an HBC-derivative containig four K-regions. The obtained stable cutout of 6-ZGNR was analyzed via mass-spectrometry, FTIR-, Raman-, and UV/Vis-spectroscopy.