Bildung und Eigenschaften von selbstorganisierten Schichten von speziellen Thiolen auf Metallelektroden

Diplomarbeit aus dem Jahr 2004 im Fachbereich Chemie - Physikalische und Theoretische Chemie, Note: 1,7, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Physikalische Chemie und Elektrochemie II), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:
Selbstorganisierende Monoschichten (Self-assembled Monolayers =SAMs) bilden sich spontan beim Eintauchen geeigneter Substrate in Lösungen organischer, oberflächenaktiver Substanzen. Insbesondere Alkyl-, Arylthiole, Trichorsilane aber auch Alkylamine bilden mit Metallen wie Gold, Silber, Kupfer, Quecksilber und Platin sowie Halbleitern wie Silizium, Galliumarsenid und Indiumphosphid meist kovalente Bindungen, die dem Adsorbat eine hohe Stabilität verleihen. Zusätzlich führen Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen längeren Alkylketten ab(CH2)10, entsprechend 1,2 nm) bzw. p-p-Wechselwirkungen zwischen aromatischen Ringsystemen sowie Wasserstoffbrückenbindungen zu einer hohen inneren Ordnung und darüber hinaus zu einer weiteren Stabilisierung der Monoschicht. Derartige Proben sind teilweise an Luft über Monate haltbar. Durch die Wahl unterschiedlich langer Alkyl- bzw. Arylketten- und die Verwendung weiterer funktioneller Endgruppen lassen sich modifizierte Elektroden mit maßgeschneiderten Eigenschaften herstellen. Der Ladungs-Transfer über die in der Regel sehr gut isolierenden, nur 1-2 nm dünnen Monoschichten kann nur über feine Poren der SAMs an der Substratoberfläche oder als Tunnelprozess über die Monoschicht selbst erfolgen. SAM- modifizierte Elektroden finden vielfältige Anwendungen in der Sensorik, zu Zelluntersuchungen, im Korrosionsschutz sowie in der Mikro- und Bioelektronik.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung verschiedener SAMs auf Gold- bzw. auf Gold(111)-Einkristallelektroden durch elektrochemische und oberflächenanalytische Methoden. Die Modifizierung der Thiolverbindung wurde extra für die vorliegende Arbeit von Abdellaziz- Laaboudi selbst durchgeführt. Dabei wurde die Adsorption von 2-[1,3]-Dioxalan-2-yl-ethan-1-thiol (C3 TA: Thiol-Acetal mit 3C Atomen in der Molekülkette) (C2H9O2S, M=133,03 g /mol) auf Au(111)-Oberfläche untersucht. Das gebildete SAM inhibiert die anodische Oxidbildung bei elektrochemischen Untersuchungen, das auf Au(111) adsorbierte Acetalthiol wird in verdünnte Schwefelsäure zum Aldehydthiol (C3H5OS, M=89,01 g/mol) und anschließend mit Purpald (C2H6N6S) zum 6-(2-Mercaptoethyl)-[1,2,4]triazolo[4,3-b][1,2,4,5] tetrazin-3-thiol (C5H5N6S2, M=213,00 g .mol) umgesetzt.
Das entstehende System ist durch Vorhandensein von konjugierten Doppelbindungen und eine Thiolendgruppe charakterisiert. Taucht man das mit Purpald umgesetzte System in einer Lösung mit kolloidal gelösten Goldteilchen ein, so bildet sich spontan ein eindimensionaler Leiter. Dies ist durch eine Reaktion der Kopfgruppe mit dem kolloidal gelösten Gold zu erklären. Der Inhibitionseffekt verschiedener Thiolschichten wurde elektrochemisch charakterisiert, die Zusammensetzung und die elektronische Struktur entsprechender Schichten wurde durch winkelabhängige XPS untersucht. Die elektrische Leitfähigkeit der entstehenden eindimensionalen Leiter wurde ebenfalls elektrochemisch geprüft.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung1
1.1Allgemeines1
1.2Aufgabenstellung1
2.Theoretische Grundlagen2
2.1Allgemeine Daten zum Substrat Gold2
2.1.1Struktur und thermodynamische Daten2
2.1.2Elektrochemische Eigenschaften4
2.2Darstellungsprozess der angewendeten Thiole4
3.Theoretische Grundlagen der verwendeten Oberflächenanalytischen Methoden5
3.1Photoelektronenspektroskopie5
3.1.1Photoeffekt5
3.1.2Röntgenquelle7
3.1.3Röntgenabsorption9
3.1.4Elektronen-Energie-Analysator9
3.1.5Informationstiefe12
3.1.6Chemische Verschiebung13
3.1.7Quantifizierung14
3.1.8Winkelabh...

Klappentext

Inhaltsangabe:Einleitung: Selbstorganisierende Monoschichten (Self-assembled Monolayers =SAMs) bilden sich spontan beim Eintauchen geeigneter Substrate in Lösungen organischer, oberflächenaktiver Substanzen. Insbesondere Alkyl-, Arylthiole, Trichorsilane aber auch Alkylamine bilden mit Metallen wie Gold, Silber, Kupfer, Quecksilber und Platin sowie Halbleitern wie Silizium, Galliumarsenid und Indiumphosphid meist kovalente Bindungen, die dem Adsorbat eine hohe Stabilität verleihen. Zusätzlich führen Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen längeren Alkylketten ab(CH2)10, entsprechend 1,2 nm) bzw. p-p-Wechselwirkungen zwischen aromatischen Ringsystemen sowie Wasserstoffbrückenbindungen zu einer hohen inneren Ordnung und darüber hinaus zu einer weiteren Stabilisierung der Monoschicht. Derartige Proben sind teilweise an Luft über Monate haltbar. Durch die Wahl unterschiedlich langer Alkyl- bzw. Arylketten- und die Verwendung weiterer funktioneller Endgruppen lassen sich modifizierte Elektroden mit maßgeschneiderten Eigenschaften herstellen. Der Ladungs-Transfer über die in der Regel sehr gut isolierenden, nur 1-2 nm dünnen Monoschichten kann nur über feine Poren der SAMs an der Substratoberfläche oder als Tunnelprozess über die Monoschicht selbst erfolgen. SAM- modifizierte Elektroden finden vielfältige Anwendungen in der Sensorik, zu Zelluntersuchungen, im Korrosionsschutz sowie in der Mikro- und Bioelektronik. Das Ziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung verschiedener SAMs auf Gold- bzw. auf Gold(111)-Einkristallelektroden durch elektrochemische und oberflächenanalytische Methoden. Die Modifizierung der Thiolverbindung wurde extra für die vorliegende Arbeit von Abdellaziz- Laaboudi selbst durchgeführt. Dabei wurde die Adsorption von 2-[1,3]-Dioxalan-2-yl-ethan-1-thiol (C3 TA: Thiol-Acetal mit 3C Atomen in der Molekülkette) (C2H9O2S, M=133,03 g /mol) auf Au(111)-Oberfläche untersucht. Das gebildete SAM inhibiert die anodische Oxidbildung bei elektrochemischen Untersuchungen, das auf Au(111) adsorbierte Acetalthiol wird in verdünnte Schwefelsäure zum Aldehydthiol (C3H5OS, M=89,01 g/mol) und anschließend mit Purpald (C2H6N6S) zum 6-(2-Mercaptoethyl)-[1,2,4]triazolo[4,3-b][1,2,4,5] tetrazin-3-thiol (C5H5N6S2, M=213,00 g .mol) umgesetzt. Das entstehende System ist durch Vorhandensein von konjugierten Doppelbindungen und eine Thiolendgruppe charakterisiert. Taucht man das mit Purpald umgesetzte System in einer Lösung mit kolloidal gelösten