Electrical scanning probe microscopy on organic optoelectronic structures

In the field of organic optoelectronics, the nanoscale structure of the materials has huge im-pact on the device performance. Here, scanning force microscopy (SFM) techniques become increasingly important. In addition to topographic information, various surface properties can be recorded on a nanometer length scale, such as electrical conductivity (conductive scanning force microscopy, C-SFM) and surface potential (Kelvin probe force microscopy, KPFM).rnrnIn the context of this work, the electrical SFM modes were applied to study the interplay be-tween morphology and electrical properties in hybrid optoelectronic structures, developed in the group of Prof. J. Gutmann (MPI-P Mainz). In particular, I investigated the working prin-ciple of a novel integrated electron blocking layer system. A structure of electrically conduct-ing pathways along crystalline TiO2 particles in an insulating matrix of a polymer derived ceramic was found and insulating defect structures could be identified. In order to get insights into the internal structure of a device I investigated a working hybrid solar cell by preparing a cross cut with focused ion beam polishing. With C-SFM, the functional layers could be identified and the charge transport properties of the novel active layer composite material could be studied. rnrnIn C-SFM, soft surfaces can be permanently damaged by (i) tip induced forces, (ii) high elec-tric fields and (iii) high current densities close to the SFM-tip. Thus, an alternative operation based on torsion mode topography imaging in combination with current mapping was intro-duced. In torsion mode, the SFM-tip vibrates laterally and in close proximity to the sample surface. Thus, an electrical contact between tip and sample can be established. In a series of reference experiments on standard surfaces, the working mechanism of scanning conductive torsion mode microscopy (SCTMM) was investigated. Moreover, I studied samples covered with free standing semiconducting polymer nano-pillars that were developed in the group of Dr. P. Theato (University Mainz). The application of SCTMM allowed non-destructive imag-ing of the flexible surface at high resolution while measuring the conductance on individual pillarsrnrnIn order to study light induced electrical effects on the level of single nanostructures, a new SFM setup was built. It is equipped with a laser sample illumination and placed in inert at-mosphere. With this photoelectric SFM, I investigated the light induced response in function-alized nanorods that were developed in the group of Prof. R. Zentel (University Mainz). A block-copolymer containing an anchor block and dye moiety and a semiconducting conju-gated polymer moiety was synthesized and covalently bound to ZnO nanorods. This system forms an electron donor/acceptor interface and can thus be seen as a model system of a solar cell on the nanoscale. With a KPFM study on the illuminated samples, the light induced charge separation between the nanorod and the polymeric corona could not only be visualized, but also quantified.rnrnThe results demonstrate that electrical scanning force microscopy can study fundamental processes in nanostructures and give invaluable feedback to the synthetic chemists for the optimization of functional nanomaterials.rn

Higher-order perturbative relativistic corrections to energies and properties

Relativistic effects need to be considered in quantum-chemical calculations on systems including heavy elements or when aiming at high accuracy for molecules containing only lighter elements. In the latter case, consideration of relativistic effects via perturbation theory is an attractive option. Among the available techniques, Direct Perturbation Theory (DPT) in its lowest order (DPT2) has become a standard tool for the calculation of relativistic corrections to energies and properties.In this work, the DPT treatment is extended to the next order (DPT4). It is demonstrated that the DPT4 correction can be obtained as a second derivative of the energy with respect to the relativistic perturbation parameter. Accordingly, differentiation of a suitable Lagrangian, thereby taking into account all constraints on the wave function, provides analytic expressions for the fourth-order energy corrections. The latter have been implemented at the Hartree-Fock level and within second-order Møller-Plesset perturbaton theory using standard analytic second-derivative techniques into the CFOUR program package. For closed-shell systems, the DPT4 corrections consist of higher-order scalar-relativistic effects as well as spin-orbit corrections with the latter appearing here for the first time in the DPT series.Relativistic corrections are reported for energies as well as for first-order electrical properties and compared to results from rigorous four-component benchmark calculations in order to judge the accuracy and convergence of the DPT expansion for both the scalar-relativistic as well as the spin-orbit contributions. Additionally, the importance of relativistic effects to the bromine and iodine quadrupole-coupling tensors is investigated in a joint experimental and theoretical study concerning the rotational spectra of CH2BrF, CHBrF2, and CH2FI.

Die Mammographie als Anwendungsbeispiel der elektrischen Impedanztomographie

Die medizinische Forschung hat gezeigt, daß die frühzeitigeErkennung des Brustkrebses die Heilungschancen entscheidendverbessert. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit demVersuch, dieses Vorhaben durch die elektrischeImpedanztomographie zu realisieren. Dazu werden an der BrustElektroden angebracht, über die Strom in die Brust fließt.Zu verschiedenen Stromkonfigurationen werden die jeweilsresultierenden Potentialverteilungen gemessen, wasRückschlüsse auf die Leitfähigkeitsverteilung zuläßt. Tumorelassen sich somit aufgrund ihrer im Vergleich zu normalemGewebe anderen elektrischen Eigenschaften lokalisieren. Diese Dissertation beschreibt verschiedene in der Praxisdenkbare Vorgehensweisen. Das Problem wird in zwei und indrei Dimensionen mit ein oder mehreren Stromkonfigurationen untersucht. Im zweidimensionalen Fall werden Schnittbildervon Objekten in einem Versuchstank mit realistischenMeßdaten berechnet. Alle Untersuchungen in drei Dimensionenbeziehen sich auf künstlich generierte Daten. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Bestimmungdes Stromflusses durch Elektroden in drei Dimensionen. DieKenntnis dieser Stromdichten ist für eine präzise Behandlungdes Vorwärtsproblems von großer Bedeutung.

New discotic liquid crystals based on large polycyclic aromatic hydrocarbons as materials for molecular electronics

A series of new columnar discotic liquid crystalline materials based on the superphenalene (C96) core has been synthesized by oxidative cyclodehydrogenation with iron(III) chloride of suitable three-dimensional oligophenylene precursors. These compounds were investigated by means of differential scanning calorimetry (DSC), polarized optical microscopy (POM) and wide angle X-ray scattering (WAXS), and showed highly ordered supramolecular arrays and mesophase behavior over a broad temperature range. Good solubility, through the introduction of long alkyl chains, and the fact that these new superphenalene derivatives were found to be liquid crystalline at room temperature enabled the formation of highly ordered films (using the zone-casting technique), a requirement for application in organic electronic devices. The one-dimensional, intracolumnar charge carrier mobilities of superphenalene derivatives were determined using the pulse-radiolysis time-resolved microwave conductivity technique (PR-TRMC). Electrical properties of different C96-C12 architectures on mica surfaces were examined by using Electrostatic Force Microscopy (EFM) and Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). Hexa-peri-hexabenzocoronene (C42) derivatives substituted at the periphery with six branched alkyl ether chains were also synthesized. It was found that the introduction of ether groups within the side chains enhances the affinity of the discotic molecules towards polar surfaces, resulting in homeotropic self-assembly (as shown by POM and 2D-WAXS) when the compounds are processed from the isotropic state between two surfaces. A new, insoluble, superphenalene building block bearing six reactive sites was prepared, and was further used for the preparation of dendronized superphenalenes with bulky dendritic substituents around the core. UV/Vis and fluorescence experiments suggest reduced π-π stacking of the superphenalene cores as a result of steric hindrance between the peripheral dendritic units. A new family of graphitic molecules with partial ”zig-zag” periphery has been established. The incorporation of ”zig-zag” edges was shown to have a strong influence on the electronic properties of the new molecules (as studied by solution and solid-state UV/Vis, and fluorescence spectroscopy), leading to a significant bathochromic shift with respect to the parent PAHs (C42 and C96). The reactivity of the additional double bonds was examined. The attachment of long alkyl chains to a ”zig-zag” superphenalene core afforded a new, processable, liquid crystalline material.

New synthetic strategies to tethered bilayer lipid membranes

Tethered bilayer lipid membranes provide an efficient, stable and versatile platform for the investigation of integrated membrane proteins. However, the incorporation of large proteins, as well as of proteins with a large submembrane part is still a very critical issue and therefore, further optimisation of the system is necessary. The central element of a tBLM is a lipid bilayer. Its proximal leaflet is, at least to some extend, covalently attached to a solid support via a spacer group. The anchor lipid consists of three distinct parts, a lipid headgroup, a spacer group and an anchor. All parts together influence the final bilayer properties. In the frame of this work, the synthesis of new thiolipids for tBLMs on gold has been investigated. The aim was to obtain molecules with longer spacers in order to increase the submembrane space. The systems obtained have been characterized using SPR and EIS. The results obtained during this study are multiple. First, the synthesis of a previously synthesized architecture was successfully scaled up in an industrial lab using a new synthetic approach. The synthesis of large amounts is now feasible. Then, the synthesis of the new thiolipids was carried out taking into account the following requirements: the increase of the submembrane space by having longer ethyleneglycol spacers, the attachment of the molecules to a gold substrate via a thiol bond, and the tunability of the lateral mobility by changing the lipid headgroup. Three different synthetic strategies have been investigated. The polymeric approach did not prove to be successful, merely because of the broad molecular weight distribution. The synthesis of heterofunctionally protected oligoethyleneglycols allowed to obtain ethyleneglycol moieties with 6 and 8 units, but the tedious purification steps gave very low yields. Finally, the block by block synthesis using ethyleneglycol precursors proved to be an efficient and fast method to synthesize the target molecules. Indeed, these were obtained with very high yields, and the separation was very efficient. A whole family of new compounds was obtained, having 6, 8 and 14 ethyleneglycol units and with mono- or diphytanyl lipid headgroups. This new pathway is a very promising synthetic strategy that can be used further in the development of new compounds of the tether system. The formation of bilayers was investigated for the different thiolipids mainly by using EIS. The electrical properties of a bilayer define the quality of the membrane and allow the study of the functionality of proteins embedded in such a system. Despite multiple trials to improve the system using self assembly, Langmuir Blodgett transfer, and detergent mixed vesicles, the new polymer thiolipids did not show as high electrical properties as tBLMs reported in the literature. Nevertheless, it was possible to show that a bilayer could be obtained for the different spacer lengths. These bilayers could be formed using self assembly for the first monolayer, and two different methods for bilayer formation, namely vesicle fusion and solvent exchange. We could furthermore show functional incorporation of the ion carrier valinomycin: the selective transport of K+ ions could be demonstrated. For DPHL, it was even possible to show the functional incorporation of the ion channel gramicidin. The influence of the spacer length is translated into an increase of the spacer capacitance, which could correspond to an increase in the capacity of charge accumulation in the submembrane space. The different systems need to be further optimised to improve the electrical properties of the bilayer. Moreover, the incorporation of larger proteins, and proteins bearing submembrane parts needs to be investigated.

Photofixierung von Lipidmembranen aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen

Ziel war Herstellung und Charakterisierung festkörperunterstützter Membransysteme aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen, mit elektrischen Eigenschaften, die denen der Schwarzfilmmembranen entsprechen. Um diese Eigenschaften mit impedanzspektroskopischen Techniken messen zu können, ist die Präparation der Membranen auf Goldfilmen notwendig. Eine direkte Verankerung der Glykolipopolymermoleküle (GLP) auf der Goldoberfläche ist nicht möglich, daher werden die untersuchten GLP mit Hilfe von photoreaktiven Molekülen kovalent auf der Goldoberfläche immobilisiert. Untersuchten Abstandhalter waren Thio-Polyethylenglykol und eine Mischung zweier Alkanthiole, bestehend aus 1-Thiohexanol und Bis-(Aminododecyl)-disulfid. Thio-PEG-Monoschichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken, weil die Moleküle auf der Oberfläche sehr unterschiedliche Konformationen annehmen können, die eine regelmässige Anordnung erschweren. Langmuir-Blodgett Übertrag sowie die durchgeführte photochemische Fixierung der GLP-Moleküle auf Thio-PEG Schichten führte zu Eigenschaften, die auf den Aufbau einer Lipidmonolage hinweisen. Diese stellte jedoch im Bereich der Lipidmoleküle keine geschlossene Schicht dar. Es kommen als Abstandhaltermoleküle für die Photofunktionalisierung nur Moleküle in Frage, die aufgrund ihrer Eigenschaften eine regelmässige Anordnung auf der Goldoberfläche anstreben. Diese Voraussetzung erfüllt am besten die Gruppe der Alkanthiole. Terminal funktionalisierte Alkanthiole müssen jedoch mit nicht oder anderweitig funktionalisierten Alkanthiolen verdünnt assembliert werden, um weitergehende Funktionalisierungen einzugehen. Die untersuchten GLP lassen sich aufgrund ihrer amphiphilen Struktur an der Wasser-Luft Grenzfläche vororientieren. In allen Fällen gelingt auch der Langmuir-Blodgett Übertrag der komprimierten Schicht, sowie, nach der für die Anbindung notwendigen Trocknung, die photochemisch kovalente Fixierung der Monoschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht. Damit konnte erstmals die photochemisch kovalente Fixierung von GLPs auf der Goldoberfläche gezeigt werden. Untersuchungen erfolgten an einem Copolymer sowie zwei unterschiedlichen Homopolymermolekülen. Der unterschiedliche molekulare Aufbau der GLP spiegelt sich in ihrem Verhalten an der Wasser-Luft Grenzfläche sowie in den Eigenschaften der gebildeten Monoschichten wieder. Die Copolymer-Schichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken. Auch die EIS-Daten sind schlecht reproduzierbar. Dies ist auf die molekulare Struktur des Copolymers zurückzuführen. Gänzlich unterschiedlich verhalten sich die Homopolymere. Aufgrund ihrer Struktur lassen sie sich zu dichten Schichten komprimieren. Messungen der Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP) zeigen homogene aber nicht fluide Schichten. Die photochemisch kovalente Fixierung des Moleküls auf der Goldoberfläche konnte durch SPR- sowie EIS-Messungen nachgewiesen werden. Die EIS-Messungen zeigen Werte, die sich in Bereichen der idealen Modellmembran bewegen. Der erfolgreiche Einbau von Valinomycin konnte bestätigt werden. FRAP Untersuchungen zeigten die Bildung homogener Schichten. Diese sind jedoch im Bereich der proximalen Lipidschicht nicht fluide. Um die Fluidität in Anlehnung an die Eigenschaften der natürlichen Membranen zu erhöhen, wurden die photochemisch kovalent fixierten Anker-Glykolipopolymer-Moleküle durch Mischung mit freien Lipiden lateral verdünnt. Auch die kovalente Fixierung der GLP-Bausteine innerhalb gemischten Schichten konnte erfolgreich demonstriert werden. Die Schichten zeigten sich jedoch, mit Ausnahme der Schichten aus 50mol% Homopolymer und 50mol% Lipid, inhomogen. Nach Photobleichung durch den Laserblitz kam es nur bei den 50mol%:50mol% -Schichten (Ho: Lipid) zur Erholung der Fluoreszenz, was auf das Vorliegen von beweglichen Lipidmolekülen innerhalb der Membran schliessen lässt. Der Versuch der Inkorporation von Valinomycin gelang ebenfalls. Alle genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die molekulare Architektur der hergestellten Schichten durch die unterschiedlichen Längendimensionen des Homopolymer-Moleküls einerseits, sowie des Lipids andererseits nicht für alle Mischungsverhältnisse ausreichend stabil ist. Die für die kovalente Fixierung erforderliche Trocknung der Schicht führt zu einer deutlichen Verminderung des Wassergehaltes des Systems und einer daraus resultierenden starken Destabilisierung der aufgebauten Schichten. Insgesamt gesehen stellt somit die photochemische Fixierung der glykosidischen Homopolymer-Membranen ein vielversprechendes Modellsystem dar.

Ion channels in mixed tethered bilayer lipid membranes

Mixed tethered bilayer lipid membranes (tBLMs) are described based on the self-assembly of a monolayer on template stripped gold, of an archea analogue thiolipid, 2,3-di-o-phytanyl-sn-glycerol-1-tetraethylene glycol-D,L--lipoic acid ester lipid (DPTL), and a newly designed dilution molecule, tetraethylene glycol-D,L--lipoic acid ester (TEGL). The usage of spacer and addition of extra dilution molecules between the substrate and the bilayer is that this architecture provides an ionic reservoir underneath the membrane, avoiding direct contact of the embedded membrane proteins with the gold electrodes and increasing the lateral diffusion of the bilayer, thus allowing for the incorporation of complex channels proteins which are failed in non-diluted systems. The tBLM is completed by fusion of liposomes made from a mixture of 1,2-diphythanolyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhyPC), cholesterol, and 1,2-diphytanoyl-sn-Glycero-3-phosphate (DPhyPG) in a molar ratio of 6:3:1. Varying the mixing ratio, the optimum mixing ratio was obtained at a dilution factor of DPTL and TEGL at 90%:10%. Only under these conditions, the mixed tBLM showed electrical properties, as shown by EIS, which are comparable to a BLM. With higher dilution factors, a defect-free lipid bilayer was not formed. Formation of bilayers have been characterized by different techniques, such as surface plasmon resonance (SPR), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), atomic force microscopy (AFM), and quartz crystal microbalance (QCM). Different proteins such as hemolysin, melittin, gramicidin, M2, Maxi-K, nAChR and bacteriohodopsin are incorporated into these tBLMs as shown by SPR and EIS studies. Ionic conductivity at 0 V vs. Ag|AgCl, 3M KCl were measured by EIS measurements. Our results indicate that these proteins have been successfully incorporated into a very stable tBLM environment in a functionally active form. Therefore, we conclude that the mixed tBLMs have been successfully designed as a general platform for biosensing and screening purposes of membrane proteins.

Biomimese biologischer Membranen: Konzeptionierung, Synthese und biophysikalische Charakterisierung einer Hierarchie festkörpergestützter Mimikry biologischer Membranen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei neue Modelle zur funktionellen Mimiese biologischer Membranen im Bereich der Bionanotechnologie entwickelt. Um den Rahmen der notwendigen Faktoren und Komponenten für biomimetische Membranmodelle abzustecken, wurde das biologische Vorbild im Bezug auf Zusammensetzung, Organisation und Funktion analysiert. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse erlauben das Erreichen von biologisch relevanten Membranwiderständen im Bereich von mehreren MOhm cm2 und eine gute lokale Fluidität. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Hierachie unterschiedlich stark von der Festkörperoberfläche entkoppelter Membranen zur Vergrößerung des submembranen Raumes. Diese Ziele konnten realisiert werden. Das auf archaealen Etherlipiden basierende DPTL-System wurde analog dem biologischen Vorbild stereoselektiv synthetisiert und ist in der Lage die Membran bei maximaler Elongation des TEG-Spacers mit mehr als 2 nm von der Oberfläche zu entkoppeln. Die erzielten Wiederstände liegen im hohen ein- bis zweistelligen MOhm-Bereich, die Kapazität entspricht mit 0,5 µF cm-2 ebenfalls dem Wert biologischer Membranen. Die Membraneigenschaften wurden mit Hilfe von SPS, EIS, IR-Spektroskopie, QCM, AFM und Kontaktwinkelmessungen charakterisiert. Die Funktionalität und lokale Fluidität der DPTL-Membran konnte anhand des Valinomycin vermittelten K+-Transports über die Membran gezeigt werden. Fluide Elektroden oder laterale Verdünnung mit TEGL erlauben den Einbau größerer Ionenkanäle. Lipo-Glycopolymere (LGP) mit unterschiedlichen Kettenlängen wurden mit Hilfe der kontrollierten radikalischen Polymerisation mit einer PD < 1.2 synthetisiert. Es zeigte sich, daß die Vororientierung der LGPs auf dem LB-Trog, gefolgt von einem LB-Übertrag auf einen funktionalisierten Träger mit photoreaktivem SAM, nach Belichten des Systems zu einer verlässlichen kovalenten Anbindung der supramolekularen LGP-Architektur führt. Da die Lipo-Glycopolymerketten am Glycopolymerterminus nur mit oberflächennahen Repetiereinheiten an die photoaktivierte Oberfläche binden, sind sie in der Lage Oberflächenrauhigkeiten des Festkörpersubstrates auszugleichen. Die photochemische Immobilisierung von funktionell orientierten supramolekularen LGP-Architekturen auf Goldoberflächen resultiert in tBLMs mit großen vertikalen Enkopplungen der Membran von der Festkörperoberfläche (>8 nm). Der funktionelle Ionentransport von Kaliumionen durch Valinomycin zeigt eine ausreichende lokale Fluidität der Membran die mit einem guten Membranwiderstand (mehrere MOhm) kombiniert ist. Große Membran-Oberflächenentkopplungen konnten mit Hilfe plasmapolymerisierter elektrophiler Polymere erreicht werden. Filmdicken von 50 nm sind mit homogener Oberfläche und Rauhigkeiten im Bereich von Nanometern möglich. Das System zeigt interessante fluide Eigenschaften mit guten Erholungsraten bei FRAP-Experimenten (Diffusionskonstanten von etwa 17 mikro m2 s-1). Die elektrischen Eigenschaften liegen mit Widerständen von wenigen kOhm unterhalb der für gute Membranmimikrie notwendigen Werte. Erstmalig konnte gezeigt werden, daß mit Hilfe dieser Methode inerte Polymere/Plastikträger (zum Beispiel Polypropylen und TOPAS) in effizienter Weise kovalent mit reaktiven Polymeroberflächen modifiziert werden können (Anwendung als DNA-Chip ist beschrieben).

Advanced schemes for surface plasmon resonance and plasmon-enhanced fluorescence biosensors

Advanced optical biosensor platforms exploiting long range surface plasmons (LRSPs) and responsive N-isopropylacrylamide (NIPAAm) hydrogel binding matrix for the detection of protein and bacterial pathogen analytes were carried out. LRSPs are optical waves that originate from coupling of surface plasmons on the opposite sites of a thin metallic film embedded between two dielectrics with similar refractive indices. LRSPs exhibit orders of magnitude lower damping and more extended profile of field compared to regular surface plasmons (SPs). Their excitation is accompanied with narrow resonance and provides stronger enhancement of electromagnetic field intensity that can advance the sensitivity of surface plasmon resonance (SPR) and surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) biosensors. Firstly, we investigated thin gold layers deposited on fluoropolymer surface for the excitation of LRSPs. The study indicates that the morphological, optical and electrical properties of gold film can be changed by the surface energy of fluoropolymer and affect the performance of a SPFS biosensor. A photo-crosslinkable NIPAAm hydrogel was grafted to the sensor surface in order to serve as a binding matrix. It was modified with bio-recognition elements (BREs) via amine coupling chemistry and offered the advantage of large binding capacity, stimuli responsive properties and good biocompatibility. Through experimental observations supported by numerical simulations describing diffusion mass transfer and affinity binding of target molecules in the hydrogel, the hydrogel binding matrix thickness, concentration of BREs and the profile of the probing evanescent field was optimized. Hydrogel with a up to micrometer thickness was shown to support additional hydrogel optical waveguide (HOW) mode which was employed for probing affinity binding events in the gel by means of refractometric and fluorescence measurements. These schemes allow to reach limits of detection (LODs) at picomolar and femtomolar levels, respectively. Besides hydrogel based experiments for detection of molecular analytes, long range surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (LRSP-FS) was employed for detection of bacterial pathogens. The influence of capture efficiency of bacteria on surfaces and the profile of the probing field on sensor response were investigated. The potential of LRSP-FS with extended evanescent field is demonstrated for detection of pathogenic E. coli O157:H7 on sandwich immunoassays . LOD as low as 6 cfu mL-1 with a detection time of 40 minutes was achieved.rn