Molekulare Funktionalisierung von Oberflächen für photoelektrochemische Sensoren und ihre mikroskopische Charakterisierung

Mithilfe photoelektrochemischer Biosensoren lassen sich biochemische Analyte in einer Lösung nachweisen, wobei deren Interaktion mit der biologisch selektiv sensibilisierten Oberfläche registriert wird. Das Messsignal entsteht nach Photoanregung halbleitender Nanopartikel (Quantenpunkte), die über e...

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Main Author: Völkner, Johannes
Contributors: Witte, Gregor (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2018
Physik
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
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Description
Summary:Mithilfe photoelektrochemischer Biosensoren lassen sich biochemische Analyte in einer Lösung nachweisen, wobei deren Interaktion mit der biologisch selektiv sensibilisierten Oberfläche registriert wird. Das Messsignal entsteht nach Photoanregung halbleitender Nanopartikel (Quantenpunkte), die über eine molekulare Zwischenschicht an die Basiselektrode gekoppelt sind. Dies ermöglicht die Integration mehrerer Sensortypen und damit die sukzessive Detektion mehrerer Spezies auf einem Bauteil. In vorliegender Studie wird die Machbarkeit dieses Konzepts demonstriert, insbesondere jedoch werden Teilsysteme des schichtweise aufgebauten Sensors und deren Grenzflächen untersucht. Unter Anwendung komplementärer Techniken werden nasschemisch prozessierte selbstassemblierende Monolagen (SAMs) aus Stilbendithiol charakterisiert, mit deren Hilfe Quantenpunkte auf einer Goldelektrode immobilisiert werden können. Letztes setzt hinreichende Ordnung innerhalb der Schicht sowie die Verfügbarkeit freier Thiolgruppen voraus, die beispielsweise durch Oxidation beeinträchtigt wird. Die Qualität der SAMs weist eine starke Abhängigkeit von Präparationsbedingungen auf, wie vom verwendeten Lösemittel, der Immersionstemperatur sowie den Umgebungsbedingungen während und nach der Filmformierung. Überdies stellt sich eine ungewöhnlich hohe thermische Stabilität heraus, die auf die Verbrückung von Molekülen zurückzuführen ist. Eine zur Charakterisierung von SAMs mächtige Messtechnik stellt die Röntgennahkantenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) dar, wobei auf Basis des linearen Dichroismus an der C1s-Kante auf die mittlere molekulare Orientierung bezüglich der Oberfläche rückgeschlossen werden kann. Während bei pi-konjugierten Systemen klar ausgeprägte pi*-Anregungen mit kollinearen Übergangsdipolmomenten zur Analyse herangezogen werden können, liegen diese bei aliphatischen Systemen wie Alkanthiolen nicht vor. Die relative Polarisierung und Oszillatorstärke der innerhalb der Moleküle angeregten elektronischen Übergänge ist allerdings mithilfe von dichtefunktionaltheoretischen Rechnungen zugänglich. In dieser Studie werden die den NEXAFS-Spektren des Modellsystems Octadekanthiol (ODT) zugrunde liegenden Resonanzen berechnet. Auf dieser Basis wird eine neue Strategie zur Bestimmung der Molekülorientierung anhand des experimentell beobachteten Dichroismus entwickelt und für ODT-SAMs auf Au(111) und polykristalliner Goldoberfläche angewendet. Darüber hinaus sind organische Dünnfilme auf GaAs(001) Gegenstand der Untersuchung. Ausgehend von ODT, welches auf GaAs wie auf Goldoberflächen geordnete Monolagen ausbildet, wird die Oberflächenfunktionalisierung mit dem aromatischen Benzolthiol und Derivaten adressiert, mit der Intention, die Austrittsarbeit des Substratmaterials gezielt zu modifizieren. Hierbei implizieren C1s NEXAFS-Messungen jedoch eine geringe Bedeckung, isotrope Orientierung sowie starke Interaktion des pi-konjugierten Ringsystems mit dem Substrat. Letzte ist ebenso bei Dünnfilmen aus Pentacen erkennbar, die in erster Lage wesentlich stärker an die GaAs(001)-Oberfläche binden als in den darauffolgenden Lagen.
Physical Description:141 pages.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2018.0504