Strukturierte organische Monoschichten zur Anbindung von Nanopartikeln

Funktionale organische Template können in der Mikro- und Nanotechnologie zum Aufbau komplexer Oberflächenstrukturen benutzt werden. Von großem Interesse sind beispielsweise Template, die es erlauben gezielt metallische und halbleitende Nanopartikel anzubinden. Aufgrund ihrer Größe besitzen diese Nanopartikel besondere katalytische, elektronische und optische Eigenschaften und sind Gegenstand intensiver Forschung in der Katalyse und Sensorik. Vor diesem Hintergrund beschreibt die vorliegende Arbeit die Strukturierung und Funktionalisierung organischer Monoschichten zur Anbindung citratstabilisierter Goldkolloide. Zur Herstellung funktionaler organischer Template wurden zuerst die als Basis für diese Template dienenden Octadecylsiloxan (ODS) Monoschichten präpariert. Anschließend erfolgte eine direkte Strukturierung der Monoschichten mittels eines Ar+-Lasers bei einer Wellenlänge von 514 nm unter ambienten Bedingungen. Das hier benutzte Verfahren der Laserstrukturierung folgt einem destruktiven Ansatz, bei dem eine Monoschicht auf einem vollständig beschichteten Si(100)-Substrat lokal zersetzt wird. Durch Variation von Schreibgeschwindigkeit und Laserleistung konnten Linienstrukturen mit einer Breite zwischen 200 nm und 1 μm erzeugt werden. Bemerkenswert ist, dass solche Linienbreiten trotz eines Laserspotdurchmessers von 2.5 μm erreicht wurden. Der Grund liegt in der nicht-linearen Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten von der Temperatur und der für die Zersetzung der ODS-Monoschichten vergleichsweise hohen Aktivierungsenergie. In dieser Arbeit wurden zur Strukturierung der Monoschichten experimentelle Parameter verwendet, die zu Linienbreiten zwischen 300 und 500 nm führten. Auffallend war, dass die Strukturierung lediglich in einem sehr begrenzten Bereich zu einem Abtrag der Monoschicht, mit einer Breite der Linienkanten von unter 100 nm, führte. Damit bot sich eine einfache Möglichkeit, durch Verringern des Abstands zwischen den Linien, schmale Alkylsiloxanstreifen mit einer Breite bis hinunter zu etwa 50 nm zu erzeugen. Um Goldkolloide selektiv auf ODS-Inseln oder strukturierten ODSMonoschichten anzubinden, mussten diese zuvor entsprechend funktionalisiert werden. Dazu eignen sich aminofunktionalisierte Oberflächen. Diese wurden durch einfache chemische Reaktionen an den äußeren Methyl- und Methylengruppen der Alkylsiloxanmonoschichten hergestellt. Die Einführung terminaler Aminogruppen erfolgte dabei in drei Funktionalisierungsschritten: der Bromierung, der Azidierung und der Aminierung. Zur Charakterisierung der funktionalisierten Oberflächen wurden Kontaktwinkelmessungen und XPspektroskopische Untersuchungen durchgeführt. Nach der Funktionalisierung der ODS-Inseln bzw. der strukturierten ODSMonoschichten, erfolgte eine selektive Anbindung der citratstabilisierten, 16 nm großen Goldkolloide durch Eintauchen der aminierten Proben in eine verdünnte Kolloidlösung. Dabei beruht die Selektivität auf elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Kolloiden und der aminierten Oberfläche. Auf diese Weise wurde eine Kolloidbelegung mit einem mittleren Abstand zwischen den Teilchen von 50-60 nm erreicht. Werden, wie beschrieben, Oberflächenstrukturen unterhalb von 100 nm erzeugt, funktionalisiert und mit Goldkolloiden belegt, ist es auch möglich, quasi eindimensionale Strukturen mit diesen Teilchen aufzubauen. Bemerkenswert dabei ist, dass die im Vergleich zu den Oberflächenstrukturen deutlich kleineren Kolloide dennoch geordnete Ketten bilden. Solche Strukturen könnten unter anderem als Lichtleiter zur Datenübertragung in Mikrochips eingesetzt werden und sind daher besonders interessant