MESA+ University of Twente
Research Business & Innovation About MESA+ Education

Mesa+

Het centrale onderwerp van dit proefschrift is de depositie van metalen op zelf-geassembleerde monolagen (SAMs) (één molecuul dikke, geordende, lagen op een oppervlak, die uit zichzelf gevormd worden). Metalen werden gedeponeerd in de vorm van platte eilandjes met diameters kleiner dan een micrometer, clustertjes van enkele nanometers groot en supramoleculaire organometaal coördinatie-kooien. Verschillende SAMs op diverse substraten werden gemaakt and geanalyseerd om hun kwaliteit te bepalen en te zien of ze gebruikt konden worden als stabiele ondergrond voor metaaldepositie. Gepulste laser depositie (PLD) wordt gebruikt als metaal depositietechniek in combinatie met nanozeef schaduwmaskers voor patronering. Deze combinatie kan gebruikt worden om metaal op organische SAMs te deponeren in sub-micrometer patronen zonder de monolaag te beschadigen.. Kleine clustertjes konden ook worden gedeponeerd met behulp van PLD. Met behulp van “scanning tunneling microscopy” (STM) (waarin een klein draadje vlak boven een oppervlak wordt bewogen om zo de elektronische eigenschappen te bepalen) en “conducting probe atomic force microscopy” (CP-AFM) (waarin een dun naaldje een oppervlak aftast en tegelijkertijd de stroom door het sample meet) werd bewezen dat deze clustertjes geïsoleerd van het substraat op de SAM lagen. Nanometer dunne patronen van platina, palladium en goud-clusters konden worden versterkt met behulp van electroless depositie (ELD) (een methode om uit een oplossing metaal te deponeren op oppervlaken) van koper. Grote cavitandmoleculen, met thioether functionaliteiten konden worden geassembleerd op goudoppervlakken en worden geanalyseerd als individuele moleculen. Door middel van organometaal coördinatie konden kooicomplexen worden opgebouwd en weer afgebroken, en dit kon op de schaal van één molecuul worden gevolgd met behulp van “tapping mode” AFM (waarin een dun vibrerend naaldje voorzichtig over een oppervlak wordt bewogen).


In Hoofdstuk 2 wordt een literatuuroverzicht van het gebied van de moleculaire elektronica gegeven. De nadruk ligt op het gebruik van monolagen in functionele elektronische structuren en de elektronisch eigenschappen meten van monolagen en op een oppervlak verankerde individuele moleculen. De belangrijkste elektronische structuren en meetopstellingen worden bediscussieerd. Moleculair-elektronische structuren (kleine apparaatjes die moleculen gebruiken als stroomdraadjes en schakelaars) zoals SAM veld-effect transistoren (SAMFETs), diodes, schakelaars en capacitoren worden beschreven. Op het moment ligt de focus op het correct en reproduceerbaar meten van elektronische eigenschappen van moleculen en monolagen om als het ware een meetstandaard te verkrijgen.


In hoofdstuk 3 wordt de bereiding en analyse van monolagen op goud gemaakt uit gedifunctionaliseerde moleculen beschreven. monolagen gemaakt van 1,9-nonaandithiol (NDT) lijken geschikt om in nanoschaal elektronische structuren te worden gebruikt. XPS, elektrochemie (cyclische voltametrie en elektrochemische impedantie spectroscopie) en contacthoek metingen geven aan dat de moleculen zich in een rechtopstaande positie op het goudoppervlak bevinden, terwijl een vrije thiolgroep uitsteekt. 1,16-Hexadecaandithiol vormde geen geordende monolagen. De meeste moleculen zijn met beide thiolgroepen aan het oppervlak gebonden. Bifenyldithiol en 1,4-di(fenylethynyl-4’-thioacetyl)benzeen vormden minder goed geordende SAMs hoewel de moleculen wel slechts met een S-groep aan het oppervlak gebonden zijn. De mogelijkheid om geconjugeerde moleculen te inserteren in decaanthiol(DT) monolagen werd onderzocht.


Hoofdstuk 4 beschrijft de bereiding van goud-monolaag-goud sandwiches door PLD van Au door siliciumnitride nanozeven. Patronen van goudeilanden met sub-micrometer diameters konden gemaakt worden over oppervlakken van enkele vierkante millimeters. Elektrochemische koperdepositie laat zien dat op octadecaanthiol (ODT) SAMs, 15 % van deze eilandjes gedeponeerd bij een druk van 0.01 mbar elektronisch geïsoleerd van het goud oppervlak zijn. Wanneer lagere depositie drukken werden gebruikt konden er geen geïsoleerde eilanden verkregen worden. Op dunnere NDT monolagen konden geen geïsoleerde eilanden worden verkregen ongeacht de gebruikte druk


In Hoofdstuk 5 is de depositie met PLD van nm grote goud, palladium en platina clusters beschreven. Clusters met afmetingen afhankelijk van de depositie condities werden gemaakt op koolstofmembranen en geanalyseerd met transmissie elektronenmicroscopie (TEM). Deze clusters werden ook gedeponeerd op monolagen. palladium clusters werden gedeponeerd op DT monolagen en met STM werd aangetoond dat ze geïsoleerd van het goud substraat zijn. Een Coulomb blokkade werd geobserveerd voor dit systeem zelfs bij kamer temperatuur CP-AFM liet zien dat Au clusters gedeponeerd op ODT en DT monolagen geïsoleerd van het goud substraat waren door de monolaag. Het voltage dat nodig is om de clusters te visualiseren in het stroom ( I ) plaatje was zoals verwacht hoger voor de dikkere ODT SAMs dan voor de DT SAMs.


In Hoofdstuk 6 worden eilanden, gemaakt van diverse metalen gedeponeerd op diverse monolagen op goud en siliciumdioxide, beschreven. De PLD techniek in combinatie met nanozeven en monolagen blijkt zeer veelzijdig en flexibel. Het gebruik van patronen van gedeponeerde metaal clusters gemaakt met PLD door nanozeven en microzeven op monolagen voor de patroon versterking door ELD met koper is beschreven. Patronen, die gemaakt zijn door korte PLD, kunnen selectief verduidelijkt worden met koper. Deze methode minimaliseert de potentieel beschadigende gasfase depositie stap.


In Hoofdstuk 7 werden grote cavitanden en metaal (palladium) bevattende kooi complexen die gefunctionaliseerd zijn met thioetherketens geïnserteerd in mercaptoundecanol (MU) monolagen op goud. De geïnserteerde moleculen en complexen kunnen met AFM gedetecteerd worden omdat ze boven de monolaag uitsteken. Geïnserteerde kooicomplexen kunnen worden afgebroken met triethylamine als concurrerende ligande voor de palladiumcentrums. Kooien in oplossing kunnen uitwisselen met enkele oppervlakte gebonden cavitanden en zo nieuwe, gemengde kooien vormen.


De resultaten van het werk dat beschreven wordt in dit proefschrift laten zien dat PLD mogelijk bruikbaar is om metaal-molecuul contacten te maken op SAMs. Voor het maken van grotere elektrodes, kunnen nanozeven gebruikt worden, terwijl korte depositie kleine geïsoleerde clustertjes oplevert op monolagen. De bereiding van metaal-monolaag-metaal juncties met verschillende dimensies kan gebruikt worden voor elektronische analyse van monolagen of enkele moleculen, en voor de fabricage van kleine elektrische apparaatjes. Individuele moleculen die op oppervlakte kunnen worden geassembleerd en weer afgebroken vormen een potentieel dataopslag systeem met nanometerschaal bits, die kunnen worden beschreven, uitgelezen en gewist door middel van reversibele supramoleculaire processen.