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Selbstlösendes Puzzle für organische Moleküle

Forschungszentrum Jülich

Koexistenz kristalliner Strukturen an Metalloberflächen: Die Abbildung zeigt zwei verschiedene kristalline Strukturen nebeneinander (hinten rechts und vorne links), mit einem ungeordneten Bereich dazwischen, der nur die repulsiven Moleküle enthält. Je nach Mischverhältnis lassen sich die Größen der Bereiche (auch nachträglich) verändern, wie elektronenmikroskopische Messungen zeigen.

20.03.2017: Mithilfe eines Tricks ist es Jülicher Forschern gelungen, organische Moleküle kontrolliert wachsen zu lassen. Eine Schlüsselrolle kommt dabei sich gegenseitig abstoßenden Molekülen zu. Aufgrund der entgegengesetzten Kräfte halten sie stets Abstand zum Nachbarn und lassen sich deshalb gut mit einer zweiten, sich gegenseitig anziehenden Molekülsorte mischen, die als „Kleber“ in die Zwischenräume passt. Nutzt man die sich ergebenden Möglichkeiten optimal, setzen sich maßgeschneiderte Oberflächenstrukturen puzzleartig wie von selbst zusammen. Von der Methode könnten insbesondere Anwendungen im Bereich der organischen Elektronik profitieren.

Die organische Elektronik gilt als vielversprechende Zukunftstechnologie. Organische Leuchtdioden, kurz: OLEDs, sind heute bereits weit verbreitet. Weitere Anwendungen wie Solarzellen, Sensoren und Transistoren halten nach und nach Einzug in den Alltag. Dennoch wird weiterhin intensiv an diesen Systemen geforscht, da viele grundlegende Zusammenhänge und Prozesse noch nicht verstanden sind. Die Suche nach besseren Mechanismen zur kontrollierten und zielgerichteten Herstellung der aktiven Schichtsysteme steht dabei im Vordergrund. Die Mischung von sich abstoßenden und anziehenden Molekülen ist möglicherweise ein neuer Weg, um derartige Strukturen gezielt herzustellen.

Eutektische Bereiche

In dem untersuchten System konnten die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich je nach Mischverhältnis drei verschiedene einkristalline Mischstrukturen beobachten. Besonders interessant wird es kurioserweise, wenn man das richtige Mischverhältnis für diese gemischten kristallinen Phasen nicht trifft. Die Wissenschaftler um Prof. Christian Kumpf vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-3) konnten zeigen, dass dann zwei Phasen nebeneinander im Gleichgewicht existieren. In diesen sogenannten eutektischen Bereichen des Phasendiagramms lässt sich dieses Gleichgewicht – sogar nachträglich – durch eine Veränderung des Mischungsverhältnisses in einem großen Bedeckungsbereich verschieben.

In herkömmlichen dreidimensionalen Systemen treten üblicherweise keine eutektischen Bereiche, sondern nur eutektische Punkte im Phasendiagram auf, etwa bei manchen metallischen Legierungen. Ein prominentes Beispiel ist das Lötzinn. Die Ursache für die ausgedehnten eutektischen Bereiche, die in dem hier untersuchten Fall der Molekülschichten auftreten, liegt letztlich in der fest vorgegebenen Größe der Oberfläche, auf der die Moleküle adsorbieren. Die Autoren konnten dieses Verhalten nicht nur experimentell beobachteten, sondern durch grundlegende thermodynamische Überlegungen auch erklären und damit zeigen, dass die Existenz eutektischer Bereiche eine generische Eigenschaft solcher zweidimensionaler Mischstrukturen aus attraktiv und repulsiv wechselwirkenden Molekülen ist.

Originalveröffentlichung:
Caroline Henneke, Janina Felter, Daniel Schwarz, F. Stefan Tautz & Christian Kumpf; "Controlling the growth of multiple ordered heteromolecular phases by utilizing intermolecular repulsion"; Nature Materials; 2017

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • Teilchenwechselwirkungen
  • Oberflächenstrukturen
  • Lötung

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