Dotierte Nanographenstreifen mit definierten Randstrukturen

Die in der vorliegenden Dissertation entwickelten organochemischen Protokolle und Konzepte erweitern die Bottom-Up-Synthese von atompräzisen Nanographenstreifen (GNR) um zwei fundamentale Bereiche. Zum einen die Dotierung der halbleitenden GNR mit Schwefel oder Stickstoffatomen und zum anderen ein Protokoll für eine lösungsbasierte Synthese von stickstoffdotierten Zickzack-Streifen.rnDie Dotierung von GNR beinhaltet die Synthese von monomeren Bausteinen bei denen, im Gegensatz zu ihren reinen Kohlenstoffhomologen, definierte Positionen am Rand mit zwei oder vier Stickstoff- beziehungsweise zwei Schwefelatomen ersetzt wurden. Die Synthese atompräziser GNR konnte mit verschiedenen experimentellen Methoden analysiert und anschaulich über STM visualisiert werden. Neben einer n-Dotierung gelang so auch erstmals eine Bottom-Up-Synthese von schwefeldotierten GNR. Eine mögliche Anwendung in der Nanoelektronik aufbauend auf dotierten GNR wurde bestätigt, indem durch Co-Polymerisation von stickstoffhaltigen mit reinen Kohlenstoffmonomeren Heteroschnittstellen zwischen dotierten und undotierten Bereichen hergestellt werden konnten. Solche Heteroschnittstellen sind fundamentale Grundlage von Dioden und damit Basis einer Vielzahl elektronischer Elemente wie Solarzellen oder Leuchtdioden.rnWährend für halbleitende GNR mit einer Armlehnen-Form ein breites Spektrum an organischen Syntheseprotokollen zur Verfügung stand, existierte zu Beginn dieser Arbeit keines für GNR mit Zickzack-Struktur. Innerhalb dieser Arbeit konnte eine Bottom-Up-Synthese zur Erschließung stickstoffdotierter GNR mit Zickzack-Randstruktur erarbeitet werden. Durch die Verwendung eines (2-Hydroxymethyl)phenylboronsäureesters werden Hydroxymethylsubsituenten entlang eines Polyphenylenrückgrats eingebaut, die nach Kondensation mit dem Stickstoffatom eine Zickzack-Kante ergeben. Innerhalb der synthetisierten Zielstrukturen kann das 9a-Azaphenalen als letztes, bislang nicht erschlossenes Isomer der Azaphenalene, als wiederkehrende Struktur, gefunden werden. Die Reaktivität der Zickzackkante konnte zudem zum Aufbau einer Vielzahl bislang unzugänglicher, polycyclischer Heteroaromaten über 1,3-dipolare Addition dieses polycyclischen Azomethin Ylides (PAMY) genutzt werden.rn

Phosphonsäurehaltige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für Anwendungen in Brennstoffzellen

Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung phosphonsäurehaltiger, organischer Kristalle als ionenleitende Verbindungen in Brennstoffzellen-Anwendungen. Sie zielt dabei einerseits auf die Darstellung von protonenleitenden Polyphenylenverbindungen und deren Verwendung als Linker für den Aufbau protonenleitender Aluminium-Phosphonat-Netzwerke ab und behandelt andererseits die Einführung stark polarer Phosphonsäuregruppen in einen diskreten Nanographenkern sowie deren Einfluss auf die ionen- und elektronenleitenden Eigenschaften, um diese als gemischt-leitende Kompatibilisatoren an der isolierenden Elektrode/ Membran-Grenzfläche in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Am Beispiel eines phosphonsäurefunktionalisierten, phenylenisch-expandierten Hexaphenylbenzols konnte ein solvothermisch stabiler Protonenleiter mit einer Selbstorganisation in kolumnare, supramolekulare Strukturen und hoher, temperaturunabhängiger Leitfähigkeit mit dominierendem Grotthuss-Anteil präsentiert werden. Durch einen Wechsel dieser 1D-radialen Phosphonsäureanordnung in der Molekülhülle hin zu 2D- und 3D-H2PO3-funktionalisierten, dendritischen Stäbchen- bzw. Kugelstrukturen konnte gezeigt werden, dass eine kolumnare Molekülanordnung jedoch kein notwendiges Kriterium für einen Grotthuss-artigen Protonentransport darstellt. Durch die mehrdimensionale Orientierung der Phosphonsäuren in der Außenhülle der Dendrimere garantieren die synthetisierten Strukturen hochaggregierte Phosphonsäurecluster, die als dichtes Säurekontinuum die eigentlichen protonenleitfähigen Kanäle darstellen und somit als entscheidendes Kriterium für das Auftreten eines Grotthuss-artigen Mechanismus definiert werden müssen. Eine signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit konnte durch den Aufbau poröser, organisch-anorganischer Netzwerke (Al-HPB-NETs) über Komplexierung einer unterstöchiometrischen Menge an Aluminium-Kationen mit der Polyphosphonsäureverbindung Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol als Linkereinheit erfolgen, die anschließend mit kleinen intrinsischen Protonenleitern wie Phosphonsäure dotiert wurden. Diese dotierten Netzwerke wiesen außergewöhnliche Leitfähigkeit auf, da sie die σ-Werte des Referenzpolymers Nafion® bereits in einem Temperaturbereich oberhalb von 135°C übertrafen, aber gleichzeitig ein sehr gutes Säureretentionsverhalten von einem Gew.-% Säuredesorption über eine Immersionsdauer von 14 h gegenüber wässrigem Medium zeigten. Durch Mischen dieser Aluminiumphosphonate mit einer dotierten Polymermatrix wie PBI konnten synergistische Effekte durch zusätzliche attraktive H-Brückenbindungen zwischen molekular angebundener Phosphonsäure und mobiler H3PO4 an Hand eines signifikanten Leitfähigkeitsanstiegs für die resultierenden Membranen beobachtet werden. Die Protonenleitfähigkeit lag in diesen Materialien in dem gesamten untersuchten Temperaturbereich oberhalb von Nafion®. Durch das Einbringen der NETs in PBI konnte ebenfalls die Säureretention von PBI um etwa 9 % bei kurzen Immersionszeiten (bis 1 min) verbessert werden. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die synthetische Kombination eines hydrophoben, elektronenleitenden Nanographenkerns mit einer, durch eine isolierende Peripherie getrennten, stark polaren, protonenleitenden Außenhülle realisiert. Am Beispiel von zwei phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylenen, die sich in Länge und Planarität der gewählten Peripheriebausteine unterschieden, sollten polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit gemischt protonen- und elektronenleitenden Eigenschaften hergestellt werden, die über Impedanzspektroskopie und Vierpunktmessungen untersucht wurden. Da es sich bei der Anwendung solcher gemischtleitenden Verbindungen um grenz-flächenaktive Substanzen handelt, die das ohne verbesserte Anbindung bestehende Dielektrikum zwischen Elektrode und protonenleitender Membran überbrücken sollen, wurde die Untersuchung eines möglichen Elektronentransportes durch eine Molekülmonolage ebenfalls über kombinatorische STM- und STS-Technik durchgeführt.

Oberflächenuntersuchungen von Metalla-Tetraazaporphyrinen

Ziel dieser Arbeit war es, ein System zu entwickeln, in dem ein durch Licht induzierter Elektronentransfer stattfinden kann. Dazu wurden ein Kupfer(II)- und ein Zink(II)Tetraazaporphyrin mit acht 4-tert-Butylphenyl-Substituenten synthetisiert (Cu4Dinit, Zn4Dinit). Die Energielücke von 1,85 eV zwischen HOMO und LUMO von Cu4Dinit in Lösung wurde mit Hilfe von Cyclovoltammetrie und UV/Vis-Messungen bestimmt. Somit ist sie größer als für Cu4Dinit Moleküle, die auf einer Oberfläche (Wolfram(100)) liegen und mit STM-, STS-Messungen untersucht wurden. Hier beträgt die Energielücke 1,35 eV, was durch eine Drehung der Phenylringe in die Ebene der Pyrrolringe des Makrozyklus und somit durch eine bessere Überlappung der Orbitale erklärt werden kann. Um die Wechselwirkung der Moleküle mit der Oberfläche zu untersuchen, wurde Cu4Dinit, wie oben beschrieben, auf Magnetit aufgedampft. Dadurch wurde ausschließlich die Wechselwirkung zwischen den Elektronenspins des Kupfer(II)-ions und den Elektronenspins des Eisens im Magnetit betrachtet. Durch Messungen der Röntgenabsorption und des XMCD-Effektes konnten das Spinmoment, Bahnmoment und das Gesamtmoment des Kupfers berechnet und eine anisotrope Kopplung des Elektronenspins des Kupferions zum Magnetit, in Abhängigkeit der Magnetisierungsrichtung des Magnetits, festgestellt werden. Wenn der Magnetit senkrecht zur Oberfläche (out-of-plane) magnetisiert ist, ist die Kopplung ferromagnetisch, während bei einer Magnetisierungsrichtung parallel zur Ebene (in-plane) des Magnetits der Elektronenspin des Kupfers antiferromagnetisch mit dem des Eisens koppelt. Dadurch muss der Hamiltonian, der die Wechselwirkung zwischen zwei Spins beschreibt, bei einer anisotropen Kopplung um einen ansiotropen Term ergänzt werden. Das Ergebnis, dass der Elektronenspin des Kupferions durch die Richtung der Magnetisierung des Magnetits beeinflusst werden kann, eröffnet neue Wege, um die Spinkonfiguration von auf der Oberfläche liegenden Molekülen mit ungepaarten Elektronen, wie die zentralen Metallionen der Makrozyklen aber auch die Elektronenspins anderer metallorganischer Komplexe oder molekulare Magnete, durch ein externes Magnetfeld zu beeinflussen. rnDurch die stöchiometrische Templatreaktion von Pyrazino[2,3-f][1,10]-phenanthrolin-2,3-di-carbonitril (Dicnq), Bis(4-tert-Butylphenyl)-fumarodinitril (Dinit) und Kupfer(II)-acetat wurde eine Koordinationsmöglichkeit für ein Ruthenium(II)-ion in einem Tetraazaporphyrin hergestellt und so die Makrozyklen Cu3Dinit1Dicnq und Zn3Dinit1Dicnq synthetisiert, mit Rutheniumionen versetzt und ebenfalls mit Hilfe von Röntgenabsorptionsmessungen und XMCD untersucht. Durch die Vergleiche mit Zn3Dinit1Dicnq und den jeweiligen Verbindungen mit koordinierten Rutheniumionen (Cu3Dinit1Dicnq-1Ru, Zn3Dinit1Dicnq-1Ru) konnte gezeigt werden, dass eine Verschiebung der Elektronendichte des Rutheniumions zu dem zentralen Kupferion des Makrozyklus stattgefunden hat und durch die Koordination eines Rutheniumions in der Peripherie des Tetraazaporphyrins die energetische Lage der Kupferorbitale beeinflusst wird.rnDer Einfluss von vier koordinierten Ruthenium(II)-ionen auf das zentrale Kupferion wurde an Hand des in dieser Arbeit hergestellten Kupfer(II)phenanthralocyanins (Cu4Dicnq) untersucht, das aus vier Dicnq-Liganden und Kupfer(II)-acetat synthetisiert wurde. Auf Grund der schlechten Löslichkeit wurde für die Koordination der Rutheniumionen der Prekursor [Ru(bipy)2Dicnq](PF6)2 hergestellt und daraus der Makrozyklus in einer Templatsynthese mit Kufper(II)-ionen gebildet. Durch diese neue Syntheseroute war es möglich, die Verbindung Cu4Dicnq-4Ru herzustellen und ebenfalls durch Röntgenabsorption und XMCD zu untersuchen und so das Spin- und Bahnmoment zu ermitteln. Ein Teil der Elektronendichte des Rutheniumions in dieser Verbindung wird auf die zusätzlich an das Rutheniumion koordinierten 2,2'-Bipyridine und nicht auf den Makrozyklus, wie in Cu3Dinit1Dicnq-1Ru, geschoben. Trotzdem konnte die Funktionsweise als Modell des Photosystems II durch eine Oxidation durch die Bestrahlung mit einer Quecksilberlampe mit para-Benzochinon beobachtet werden. Dies bestätigte die Funktionsweise des Kupfer(II)phenanthralocyanins mit koordinierten Rutheniumionen, da ein durch Licht induzierter Elektronenübergang auf das para-Benzochinon stattgefunden hat.rn

Physiologie eines erlernten Körpermodells in Drosophila melanogaster

In der vorliegenden Dissertation wird ein Körpergrößengedächtnis untersucht. Es wird dargestellt, wie diese Information über die Reichweite der Fliege beim Lückenklettern unter kotrollierten Umweltbedingungen erworben und prozessiert wird. Zusätzlich wird geklärt, welche biochemischen Signale benötigt werden, um daraus ein lang anhalten-des Gedächtnis zu formen. Adulte Fliegen sind in der Lage, ihre Körperreichweite zu lernen. Naive Fliegen, die in der Dunkelheit gehalten wurden, versuchen erfolglos, zu breite Lücken zu überqueren, während visuell erfahrene Fliegen die Kletterversuche an ihre Körpergröße anpassen. Erfahrene kleine Fliegen scheinen Kenntnis ihres Nachteils zu haben. Sie kehren an Lückenbreiten um, welche ihre größeren Artgenos-sen durchaus noch versuchen. Die Taufliegen lernen die größenabhängige Reichweite über die visuelle Rückmeldung während des Laufens (aus Parallaxenbewegung). Da-bei reichen 15 min in strukturierter, heller Umgebung aus. Es gibt keinen festgelegten Beginn der sensiblen Phase. Nach 2 h ist das Gedächtnis jedoch konsolidiert und kann durch Stress nicht mehr zerstört oder durch sensorische Eingänge verändert werden. Dunkel aufgezogene Fliegen wurden ausgewählten Streifenmustern mit spezifischen Raumfrequenzen ausgesetzt. Nur die Insekten, welche mit einem als „optimal“ klassi-fizierten Muster visuell stimuliert wurden, sind in der Lage, die Körperreichweite einzu-schätzen, indem die durchschnittliche Schrittlänge in Verbindung mit der visuellen Wahrnehmung gebracht wird. Überraschenderweise ist es sogar mittels partieller Kompensation der Parallaxen möglich, naive Fliegen so zu trainieren, dass sie sich wie kleinere Exemplare verhalten. Da die Experimente ein Erlernen der Körperreich-weite vermuten lassen, wurden lernmutante Stämme beim Lückenüberwinden getes-tet. Sowohl die Ergebnisse von rut1- und dnc1-Mutanten, als auch das defizitäre Klet-tern von oc1-Fliegen ließ eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade in der Protocerebralbrücke (PB) vermuten. Rettungsexperimente der rut1- und dnc1-Hinter-gründe kartierten das Gedächtnis in unterschiedliche Neuronengruppen der PB, wel-che auch für die visuelle Ausrichtung des Kletterns benötigt werden. Erstaunlicher-weise haben laterale lokale PB-Neurone und PFN-Neurone (Projektion von der PB über den fächerförmigen Körper zu den Noduli) verschiedene Erfordernisse für cAMP-Signale. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass hohe Mengen an cAMP/PKA-Signalen in den latero-lateralen Elementen der PB benötigt werden, wäh-rend kolumnäre PFN-Neurone geringe oder keine Mengen an cAMP/PKA erfordern. Das Körperreichweitengedächtnis ist vermutlich das am längsten andauernde Ge-dächtnis in Drosophila. Wenn es erst einmal konsolidiert ist hält es länger als drei Wo-chen.rnAußerdem kann die Fruchtliege Drosophila melanogaster trainiert werden, die kom-plexe motorische Aufgabe des Lückenkletterns zu optimieren. Die trainierten Fliegen werden erfolgreicher und schneller beim Überqueren von Lücken, welche größer sind als sie selbst. Dabei existiert eine Kurzeitkomponente (STM), die 40 min nach dem ersten Training anhält. Nach weiteren vier Trainingsdurchläufen im Abstand von 20 min wird ein Langzeitgedächtnis (LTM) zum Folgetag geformt. Analysen mit Mutati-onslinien wiesen eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade an dieser Ge-dächtnisform auf. Rettungsexperimente des rut2080-Hintergrunds kartierten sowohl das STM, als auch das LTM in PFN-Neuronen. Das STM kann aber ebenso in den alpha- und beta- Loben der Pilzkörper gerettet werden.rnLetztendlich sind wildtypische Fliegen sogar in der Lage, sich an einen Verlust eines Mittelbeintarsuses und dem einhergehenden Fehlen des Adhäsionsorgans am Tarsusende anzupassen. Das Klettern wird zwar sofort schlechter, erholt sich aber bis zum Folgetag wieder auf ein normales Niveau. Dieser neue Zustand erfordert ein Ge-dächtnis für die physischen Möglichkeiten, die nur durch plastische Veränderungen im Nervensystem des Insekts erreicht werden können.

Looking for silicene: studies of silicon deposition on metallic and semiconductor substrates

Nel presente lavoro espongo i risultati degli esperimenti svolti durante la mia internship all’Institut des NanoSciences de Paris (INSP), presso l’Università Pierre et Marie Curie (Paris VI), nel team "Phisico-Chimie et Dynamique des Surfaces", sotto la supervisione del Dott. Geoffroy Prévot. L’elaborato è stato redatto e in- tegrato sotto la guida del Dott. Pasquini, del dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna. La tesi s’inserisce nel campo di ricerca del silicene, i.e. l’allotropo bidimensionale del silicio. Il cosidetto free-standing silicene è stato predetto teoricamente nel 2009 utilizzando calcoli di Density Functional Theory, e da allora ha stimolato un’intensa ricerca per la sua realizzazione sperimentale. La sua struttura elettronica lo rende particolarmente adatto per eventuali appli- cazioni tecnologiche e sperimentali, mentre lo studio delle sue proprietà è di grande interesse per la scienza di base. Nel capitolo 1 presento innanzitutto la struttura del silicene e le proprietà previste dagli studi pubblicati nella letteratura scientifica. In seguito espongo alcuni dei risultati sperimentali ottenuti negli ultimi anni, in quanto utili per un paragone con i risultati ottenuti durante l’internship. Nel capitolo 2 presento le tecniche sperimentali che ho utilizzato per effettuare le misure. Molto tempo è stato investito per ottenere una certa dimistichezza con gli apparati in modo da svolgere gli esperimenti in maniera autonoma. Il capitolo 3 è dedicato alla discussione e analisi dei risultati delle misure, che sono presentati in relazione ad alcune considerazioni esposte nel primo capitolo. Infine le conclusioni riassumono brevemente quanto ottenuto dall’analisi dati. A partire da queste considerazioni propongo alcuni esperimenti che potrebbero ulteriormente contribuire alla ricerca del silicene. I risultati ottenuti su Ag(111) sono contenuti in un articolo accettato da Physical Review B.

Classification of suppressor additives based on synergistic and antagonistic ensemble effects

Three fundamental types of suppressor additives for copper electroplating could be identified by means of potential Transient measurements. These suppressor additives differ in their synergistic and antagonistic interplay with anions that are chemisorbed on the metallic copper surface during electrodeposition. In addition these suppressor chemistries reveal different barrier properties with respect to cupric ions and plating additives (Cl, SPS). While the type-I suppressor selectively forms efficient barriers for copper inter-diffusion on chloride-terminated electrode surfaces we identified a type-II suppressor that interacts non-selectively with any kind of anions chemisorbed on copper (chloride, sulfate, sulfonate). Type-I suppressors are vital for the superconformal copper growth mode in Damascene processing and show an antagonistic interaction with SPS (Bis-Sodium-Sulfopropyl-Disulfide) which involves the deactivation of this suppressor chemistry. This suppressor deactivation is rationalized in terms of compositional changes in the layer of the chemisorbed anions due to the competition of chloride and MPS (Mercaptopropane Sulfonic Acid) for adsorption sites on the metallic copper surface. MPS is the product of the dissociative SPS adsorption within the preexisting chloride matrix on the copper surface. The non-selectivity in the adsorption behavior of the type-II suppressor is rationalized in terms of anion/cation pairing effects of the poly-cationic suppressor and the anion-modified copper substrate. Atomic-scale insights into the competitive Cl/MPS adsorption are gained from in situ STM (Scanning Tunneling Microscopy) using single crystalline copper surfaces as model substrates. Type-III suppressors are a third class of suppressors. In case of type-land type-II suppressor chemistries the resulting steady-state deposition conditions are completely independent on the particular succession of additive adsorption. In contrast to that a strong dependence of the suppressing capabilities on the sequence of additive adsorption ("first comes, first serves" principle) is observed for the type-IIIsuppressor. This behavior:is explained by a suppressor barrier that impedes not only the copper inter-diffusion but also the transport of other additives (e.g. SPS) to the copper surface. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Structural aspects of redox-mediated electron tunneling (Dedicated to the memory of professor Alexander M. Kuznetsov)

We investigated structural aspects of electron transfer (ET) in tunneling junctions (Au(1 1 1)vertical bar FcN vertical bar solution gap vertical bar Au STM tip) with four different redox-active N-thioalk(ano)ylferrocenes (FcN) embedded. The investigated molecules consist of a redox-active ferrocene (Fc) moiety connected via alkyl spacers with N = 4, 6, 8 and 11 carbon atoms to a thiol anchoring group. We found that for short FcNs (N = 4, 6,8) the redox-mediated ET response increases with the increase of the alkyl chain length, while no enhancement of the ET was observed for Fc1 1. The model of two-step ET with partial vibrational relaxation by Kuznetsov and Ulstrup was used to rationalize these results. The theoretical ET steps were assigned to two processes: (1) electron tunneling from the Fc group to the Au tip through the electrolyte layer and (2) electron transport from the Au(1 1 1) substrate to the Fc group through the organic adlayer. We argue that for the three short FcNs, the first process represents the rate-limiting step. The increase of the length of the alkyl chain leads to an approach of the Fc group to the STM tip, and consequently accelerates the first El' step. In case of the Fcl 1 junctions the rather high thickness of the organic layer leads to a decrease of the rate of the second ET step. In consequence, the contribution of the redox-mediated current enhancement to the total tunneling current appears to be insignificant. Our work demonstrates the importance of combined structural and transport approaches for the understanding of Er processes in electrochemical nanosystems. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Growth, modification and integration of carbon nanotubes into molecular electronics

Molecules are the smallest possible elements for electronic devices, with active elements for such devices typically a few Angstroms in footprint area. Owing to the possibility of producing ultrahigh density devices, tremendous effort has been invested in producing electronic junctions by using various types of molecules. The major issues for molecular electronics include (1) developing an effective scheme to connect molecules with the present micro- and nano-technology, (2) increasing the lifetime and stabilities of the devices, and (3) increasing their performance in comparison to the state-of-the-art devices. In this work, we attempt to use carbon nanotubes (CNTs) as the interconnecting nanoelectrodes between molecules and microelectrodes. The ultimate goal is to use two individual CNTs to sandwich molecules in a cross-bar configuration while having these CNTs connected with microelectrodes such that the junction displays the electronic character of the molecule chosen. We have successfully developed an effective scheme to connect molecules with CNTs, which is scalable to arrays of molecular electronic devices. To realize this far reaching goal, the following technical topics have been investigated. 1. Synthesis of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) by thermal chemical vapor deposition (T-CVD) and plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) techniques (Chapter 3). We have evaluated the potential use of tubular and bamboo-like MWCNTs grown by T-CVD and PE-CVD in terms of their structural properties. 2. Horizontal dispersion of MWCNTs with and without surfactants, and the integration of MWCNTs to microelectrodes using deposition by dielectrophoresis (DEP) (Chapter 4). We have systematically studied the use of surfactant molecules to disperse and horizontally align MWCNTs on substrates. In addition, DEP is shown to produce impurityfree placement of MWCNTs, forming connections between microelectrodes. We demonstrate the deposition density is tunable by both AC field strength and AC field frequency. 3. Etching of MWCNTs for the impurity-free nanoelectrodes (Chapter 5). We show that the residual Ni catalyst on MWCNTs can be removed by acid etching; the tip removal and collapsing of tubes into pyramids enhances the stability of field emission from the tube arrays. The acid-etching process can be used to functionalize the MWCNTs, which was used to make our initial CNT-nanoelectrode glucose sensors. Finally, lessons learned trying to perform spectroscopic analysis of the functionalized MWCNTs were vital for designing our final devices. 4. Molecular junction design and electrochemical synthesis of biphenyl molecules on carbon microelectrodes for all-carbon molecular devices (Chapter 6). Utilizing the experience gained on the work done so far, our final device design is described. We demonstrate the capability of preparing patterned glassy carbon films to serve as the bottom electrode in the new geometry. However, the molecular switching behavior of biphenyl was not observed by scanning tunneling microscopy (STM), mercury drop or fabricated glassy carbon/biphenyl/MWCNT junctions. Either the density of these molecules is not optimum for effective integration of devices using MWCNTs as the nanoelectrodes, or an electroactive contaminant was reduced instead of the ionic biphenyl species. 5. Self-assembly of octadecanethiol (ODT) molecules on gold microelectrodes for functional molecular devices (Chapter 7). We have realized an effective scheme to produce Au/ODT/MWCNT junctions by spanning MWCNTs across ODT-functionalized microelectrodes. A percentage of the resulting junctions retain the expected character of an ODT monolayer. While the process is not yet optimized, our successful junctions show that molecular electronic devices can be fabricated using simple processes such as photolithography, self-assembled monolayers and dielectrophoresis.

In-situ electrical, mechanical and electrochemical characterizations of one-dimensional nanostructures

One-dimensional nanostructures initiated new aspects to the materials applications due to their superior properties compared to the bulk materials. Properties of nanostructures have been characterized by many techniques and used for various device applications. However, simultaneous correlation between the physical and structural properties of these nanomaterials has not been widely investigated. Therefore, it is necessary to perform in-situ study on the physical and structural properties of nanomaterials to understand their relation. In this work, we will use a unique instrument to perform real time atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM) of nanomaterials inside a transmission electron microscopy (TEM) system. This AFM/STM-TEM system is used to investigate the mechanical, electrical, and electrochemical properties of boron nitride nanotubes (BNNTs) and Silicon nanorods (SiNRs). BNNTs are one of the subjects of this PhD research due to their comparable, and in some cases superior, properties compared to carbon nanotubes. Therefore, to further develop their applications, it is required to investigate these characteristics in atomic level. In this research, the mechanical properties of multi-walled BNNTs were first studied. Several tests were designed to study and characterize their real-time deformation behavior to the applied force. Observations revealed that BNNTs possess highly flexible structures under applied force. Detailed studies were then conducted to understand the bending mechanism of the BNNTs. Formations of reversible ripples were observed and described in terms of thermodynamic energy of the system. Fracture failure of BNNTs were initiated at the outermost walls and characterized to be brittle. Second, the electrical properties of individual BNNTs were studied. Results showed that the bandgap and electronic properties of BNNTs can be engineered by means of applied strain. It was found that the conductivity, electron concentration and carrier mobility of BNNTs can be tuned as a function of applied stress. Although, BNNTs are considered to be candidate for field emission applications, observations revealed that their properties degrade upon cycles of emissions. Results showed that due to the high emission current density, the temperature of the sample was increased and reached to the decomposition temperature at which the B-N bonds start to break. In addition to BNNTs, we have also performed in-situ study on the electrochemical properties of silicon nanorods (SiNRs). Specifically, lithiation and delithiation of SiNRs were studied by our STM-TEM system. Our observations showed the direct formation of Li22Si5 phases as a result of lithium intercalation. Radial expansion of the anode materials were observed and characterized in terms of size-scale. Later, the formation and growth of the lithium fibers on the surface of the anode materials were observed and studied. Results revealed the formation of lithium islands inside the ionic liquid electrolyte which then grew as Li dendrite toward the cathode material.

MULTISCALE EXAMINATION AND MODELING OF ELECTRON TRANSPORT IN NANOSCALE MATERIALS AND DEVICES

For half a century the integrated circuits (ICs) that make up the heart of electronic devices have been steadily improving by shrinking at an exponential rate. However, as the current crop of ICs get smaller and the insulating layers involved become thinner, electrons leak through due to quantum mechanical tunneling. This is one of several issues which will bring an end to this incredible streak of exponential improvement of this type of transistor device, after which future improvements will have to come from employing fundamentally different transistor architecture rather than fine tuning and miniaturizing the metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) in use today. Several new transistor designs, some designed and built here at Michigan Tech, involve electrons tunneling their way through arrays of nanoparticles. We use a multi-scale approach to model these devices and study their behavior. For investigating the tunneling characteristics of the individual junctions, we use a first-principles approach to model conduction between sub-nanometer gold particles. To estimate the change in energy due to the movement of individual electrons, we use the finite element method to calculate electrostatic capacitances. The kinetic Monte Carlo method allows us to use our knowledge of these details to simulate the dynamics of an entire device— sometimes consisting of hundreds of individual particles—and watch as a device ‘turns on’ and starts conducting an electric current. Scanning tunneling microscopy (STM) and the closely related scanning tunneling spectroscopy (STS) are a family of powerful experimental techniques that allow for the probing and imaging of surfaces and molecules at atomic resolution. However, interpretation of the results often requires comparison with theoretical and computational models. We have developed a new method for calculating STM topographs and STS spectra. This method combines an established method for approximating the geometric variation of the electronic density of states, with a modern method for calculating spin-dependent tunneling currents, offering a unique balance between accuracy and accessibility.

NANOSCALE ELECTROCHEMISTRY BY IN-SITU TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY

Nanoscale research in energy storage has recently focused on investigating the properties of nanostructures in order to increase energy density, power rate, and capacity. To better understand the intrinsic properties of nanomaterials, a new and advanced in situ system was designed that allows atomic scale observation of materials under external fields. A special holder equipped with a scanning tunneling microscopy (STM) probe inside a transmission electron microscopy (TEM) system was used to perform the in situ studies on mechanical, electrical, and electrochemical properties of nanomaterials. The nanostructures of titanium dioxide (TiO2) nanotubes are characterized by electron imaging, diffraction, and chemical analysis techniques inside TEM. TiO2 nanotube is one of the candidates as anode materials for lithium ion batteries. It is necessary to study their morphological, mechanical, electrical, and electrochemical properties at atomic level. The synthesis of TiO2 nanotubes showed that the aspect ratio of TiO2 could be controlled by processing parameters, such as anodization time and voltage. Ammonium hydroxide (NH4OH) treated TiO2 nanotubes showed unexpected instability. Observation revealed the nanotubes were disintegrated into nanoparticles and the tubular morphology was vanished after annealing. The nitrogen compounds incorporated in surface defects weaken the nanotube and result in the collapse of nanotube into nanoparticles during phase transformation. Next, the electrical and mechanical properties of TiO2 nanotubes were studied by in situ TEM system. Phase transformation of anatase TiO2 nanotubes into rutile nanoparticles was studied by in situ Joule heating. The results showed that single anatase TiO2 nanotubes broke into ultrafine small anatase nanoparticles. On further increasing the bias, the nanoclusters of anatase particles became prone to a solid state reaction and were grown into stable large rutile nanoparticles. The relationship between mechanical and electrical properties of TiO2 nanotubes was also investigated. Initially, both anatase and amorphous TiO2 nanotubes were characterized by using I-V test to demonstrate the semiconductor properties. The observation of mechanical bending on TiO2 nanotubes revealed that the conductivity would increase when bending deformation happened. The defects on the nanotubes created by deformation helped electron transportation to increase the conductivity. Lastly, the electrochemical properties of amorphous TiO2 nanotubes were characterized by in situ TEM system. The direct chemical and imaging evidence of lithium-induced atomic ordering in amorphous TiO2 nanotubes was studied. The results indicated that the lithiation started with the valance reduction of Ti4+ to Ti3+ leading to a LixTiO2 intercalation compound. The continued intercalation of Li ions in TiO2 nanotubes triggered an amorphous to crystalline phase transformation. The crystals were formed as nano islands and identified to be Li2Ti2O4 with cubic structure (a = 8.375 Å). This phase transformation is associated with local inhomogeneities in Li distribution. Based on these observations, a new reaction mechanism is proposed to explain the first cycle lithiation behavior in amorphous TiO2 nanotubes.

Two-dimensional assembly and local redox-activity of molecular hybrid structures in an electrochemical environment

The self-assembly and redox-properties of two viologen derivatives, N-hexyl-N-(6-thiohexyl)-4,4-bipyridinium bromide (HS-6V6-H) and N,N-bis(6-thiohexyl)-4,4-bipyridinium bromide (HS-6V6-SH), immobilized on Au(111)-(1x1) macro-electrodes were investigated by cyclic voltammetry, surface enhanced infrared spectroscopy (SEIRAS) and in situ scanning tunneling microscopy (STM). Depending on the assembly conditions one could distinguish three different types of adlayers for both viologens: a low coverage disordered and an ordered striped phase of flat oriented molecules as well as a high coverage monolayer composed of tilted viologen moieties. Both molecules, HS-6V6-H and HS-6V6-SH, were successfully immobilized on Au(poly) nano-electrodes, which gave a well-defined redox-response in the lower pA–current range. An in situ STM configuration was employed to explore electron transport properties of single molecule junctions Au(T)|HS-6V6-SH(HS-6V6-H)|Au(S). The observed sigmoidal potential dependence, measured at variable substrate potential ES and at constant bias voltage (ET–ES), was attributed to electronic structure changes of the viologen moiety during the one-electron reduction/re-oxidation process V2+ V+. Tunneling experiments in asymmetric, STM-based junctions Au(T)-S-6V6-H|Au(S) revealed current (iT)–voltage (ET) curves with a maximum located at the equilibrium potential of the redox-process V2+ V+. The experimental iT–ET characteristics of the HS-6V6-H–modified tunneling junction were tentatively attributed to a sequential two-step electron transfer mechanism.

Electro-oxidation of Au(1 1 1) in contact with aqueous electrolytes: New insight from in situ vibration spectroscopy

We carried out a comprehensive study of Au(1 1 1) oxidation–reduction in the presence of (hydrogen-) sulfate ions on ideally smooth and stepped Au(S)[n(1 1 1)-(1 1 1)] single crystal electrodes using cyclic voltammetry, in situ scanning tunneling microscopy (STM) and vibration spectroscopy, such as surface-enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRAS) and shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy (SHINERS). Surface structure changes and the role of surface defects in the potential regions of double layer charging and gold oxidation/reduction are discussed based on cyclic voltammetry and in situ STM data. SEIRAS and SHINERS provide complementary information on the chemical nature of adsorbates. In particular, the potential-dependent formation and stability ranges of adsorbed sulfate, hydroxide-species and of gold surface oxide could be resolved in detail. Based on our experimental observations, we proposed new and extended mechanisms of gold surface oxidation and reduction in 1.0 M H2SO4 and 1.0 M Na2SO4.

Electrochemical characterization of self-assembled Ferrocene-terminated alkanethiol monolayers on low-index gold single crystal electrodes

We present a voltammetric and in situ STM study of 11-ferrocenyl-1-undecanethiol (FcC11) assembled on low-index single crystal and polycrystalline gold electrodes. The influence of electrode surface structure as well as of structure defects in the self-assembled FcC11 monolayers on the electrochemical response during the oxidation and reduction of the terminal ferrocene group is explored. The nature of the redox peaks is discussed in detail. We identified the coexistence of disordered FcC11 regions with 2D patches of “locally ordered” FcC11 species. We demonstrate that close-packed domains are preferentially formed at atomically flat terraces. Increasing the defect density of the substrate surface leads to a decreasing amount of locally ordered FcC11 molecules.

Charge transport through perylene bisimide molecular junctions: An electrochemical approach

Single molecular junction conductances of a family of five symmetric and two unsymmetric perylene tetracarboxylic bisimides (PBI) with variable bay-area substituents were studied employing a scanning tunneling microscope (STM)-based break junction technique. The stretching experiments provide clear evidence for the formation of single molecular junctions and π–π stacked dimers. Electrolyte gating demonstrates a distinct gating effect in symmetric molecular junctions, which strongly depends on molecular structure and properties of the solvent/electrolyte. Weak π–π-coupling in the unsymmetric dimers prevents rectification.