Reversible Nanopatterning on Self-Assembled Monolayers on Gold

The reversible fabrication of positive and negative nanopatterns on 1-hexadecanethiol (HDT) self-assembled monolayers (SAMs) on Au(111) was realized by bias-assisted atomic force microscopy (AFM) nanolithography using an ethanol-ink tip. The formation of positive and negative nanopatterns via the bias-assisted nanolithography depends solely on the polarity of the applied bias, and their writing speeds can reach 800,um/s and go beyond 1000 mu m/s, respectively. The composition of the positive nanopatterns is gold oxide and the nanometer-scale gold oxide can be reduced by ethanol to gold, as proved by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis, forming the negative nanopatterns which can be refilled with HDT to recover the SAMs.

Dendrimers as "controllers" for modulation of electrodeposited silver nanostructures

Electrodeposition of silver nanostructures on a polyamidoamine (PAMAM) dendrimers-modified surface has been reported. The assembled PAMAM monolayer film was used as a substrate for electrodeposition. We found that the PAMAM dendrimers obviously affected nucleation growth and silver nanostructures (spherical, dendritic and "fish bone" shapes) were obtained, which were different from those deposited on unmodified surfaces. It was attributed to the unique structures and properties of PAMAM dendrimers compared with linear polymers.

硅（111）和金（111）基底自组装膜表面纳米图案化与功能化

利用导电原子力显微镜在烷基化自组膜/Si(111)和巯基自组膜/Au(111)上加工纳米模板,结合组装的方法构建功能化纳米图案。在烷基化自组膜/Si(111)上施加偏压可以得到SiO2纳米图案,此图案可以做功能化模板,将图案化区域组装胺基作为端基的硅烷后,通过1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)试剂活化共价结合11-巯基十一酸(MUA)稳定的金纳米粒子,得到金纳米粒子功能化纳米图案。在烷基硫醇自组装膜/Au(111)施加偏压可以选择性移除自组装膜,移除自组装膜后新暴露的金可以用做纳米模板,在此模板上组装MUA后通过EDC/NHS活化共价键合溶菌酶,得到蛋白质功能化的纳米点阵图案。

Investigation into self-assembled monolayers of a polyether dendron thiol: Chemisorption, kinetics, and patterned surface

Different sizes of Frechet-type dendrons with a thiol group at the focal point were synthesized, well characterized, and used as building blocks for the preparation of self-assembled monolayers (SAMs) on metal surfaces. From the studies of the kinetic process of dendron thiol self-assembling on gold, it is shown that the dendron thiol assembling proceeds with different adsorption rates depending on the assembly time. In contrast to normal alkanethiols forming highly molecular structures on metal surfaces, the SAMs of polyether dendron form patterned surfaces with nanometer-sized features and in long-range order. It is found that the patterned stripes are closely related to the size of the dendron, and the patterned stripes can be improved by thermal annealing.

Potential-induced transformation for surfactant aggregates on a metal surface

Surfactant adsorption on metal surfaces has been used to limit the activity of the electrode surface and to stabilize colloidal clusters and nanoparticles in solution, but the adsorption and relative potential-induced structure change of the surfactant were not known. Here, the adsorption of sodium dodecyl sulfate (SDS) on a Au(111) surface under potential control was investigated by in situ scanning tunneling microscopy (STM). The STM images showed that the morphology of SDS on Au(111) was changed from a hemi-cylindrical micellar monolayer to a compact and uniform bilayer through control of the potential. The transition between the hemimicellar monolayer and the compact bilayer is not reversed after a period of time. The model of potential-induced transformation for SDS aggregates on Au(111) was established. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Electrochemical scanning tunneling microscopy and electrochemical quartz crystal microbalance study of the adsorption of phenanthraquinone accompanied by an electrochemical redox reaction on the Au electrode

In situ electrochemical scanning tunneling microscopy (ECSTM) and an electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) have been employed to follow the adsorption/desorption processes of phenanthraquinone (PQ sat. in 0.1 mol l(-1) HClO4, solution) accompanied with an electrochemical redox reaction on the Au electrode. The result shows that: (1) the reduced form PQH(2) adsorbed at the Au electrode and the desorption occurred when PQH(2) was oxidized to PQ; (2) the adsorption process initiates at steps or kinks which provide high active sites on the electrode surface for adsorption, and as the potential shifts to negative, a multilayer of PQH(2) may be formed at the Au electrode; (3) the reduced PQH(2) adsorbed preferentially in the area where the tip had been scanned continually; this result suggests that the tip induction may accelerate the adsorption of PQH(2) on the Au(111) electrode. Two kinds of possible reason have been discussed; (4) high resolution STM images show the strong substrate lattice information and the weak monolayer adsorbate lattice information simultaneously. The PQH(2) molecules pack into a not perfectly ordered condensed physisorbed layer at potentials of 0.1 and 0.2 V with an average lattice constant a = 11.5 +/- 0.4 Angstrom, b = 11.5 +/- 0.4 Angstrom, and gamma = 120 +/- 2 degrees; the molecular lattice is rotated with respect to the substrate lattice by about 23 +/- 2 degrees. (C) 1997 Elsevier Science S.A.

Electrochemical and FTIR characterization of the self-assembled monolayer of 2-mercaptobenzimidazole on Au(1 1 1)

The behaviour of a self-assembled monolayer of 2-mercaptobenzimidazole (MBI) at the Au(111) electrode has been examined using cyclic voltammetry and in situ FTIR spectroscopy. The charge associated with the reductive desorption is pH independent while the oxidative partial redeposition charge increases when the pH is lowered. This is due to differences between the nature and the solubility of the MBI desorption product. In alkaline and neutral media MBI desorbs as the thiolate. In contrast, in acidic solutions the thiol is the desorbed product. Subtractively normalized interfacial reflection Fourier transform absorption spectroscopy (SNIFTIRS) has been applied to investigate the MBI monolayer in contact with aqueous solutions of different pH. The SNIFTIRS data are in agreement with the electrochemical results. Moreover, quantitative analysis of the IR data provided evidence that adsorbed MBI molecules assume a tilted orientation with an angle of 60±5° between the C2 axis of the molecule and the direction normal to the gold surface. © 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Monte Carlo simulation of cluster growth in surface defects induced by the tip of a scanning tunnelling microscope

First steps are taken to model the electrochemical deposition of metals in nanometer-sized cavities. In the present work, the electrochemical deposition of Cu atoms in nanometer-sized holes dug on Au(111) is investigated through Monte Carlo simulations using the embedded atom method to represent particle interactions. By sweeping the chemical potential of Cu, a cluster is allowed to grow within the hole rising four atomic layers above the surface. Its lateral extension remains confined to the area defined by the borders of the original defect. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

On the generation of metal clusters with the electrochemical scanning tunneling microscope

In the present work we consider two aspects of the deposition of metal clusters on an electrode surface. The formation of such clusters with the tip of a scanning tunneling microscope is simulated by atom dynamics. Subsequently the stability of these clusters is investigated by Monte Carlo simulations in a grand-canonical ensemble. In particular, the following systems were considered explicitly: Pd clusters on Au(111), Cu on Au(111), Ag on Au(111), Pb on Au(111) and Cu on Ag(111). The analysis of the results obtained for the different systems leads to the conclusion that optimal systems for nanostructuring are those where the metals participating have similar cohesive energies and negative heats of alloy formation. In this respect, the system Cu-Pd(111) is predicted as a good candidate for the formation of stable clusters. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

A density functional theory study of the reaction of C+O, C+N, and C+H on close packed metal surfaces

Density functional theory (DFT) has been used to determine reaction pathways for several reactions taking place on Pt(111) and Cu(111) surfaces. On Pt(111), the reactions of C+O and C+N were studied, and on Cu(111) we investigated the reaction of C+H. The structures of the transition states accessed in each reaction are similar. An equivalent distance separates the reactants with the first located at a three-fold hollow site and the second close to a bridge site. Previous DFT studies have, in fact, often identified transition states of this type and in every case it is the reactant with the weaker chemisorption energy that is located close to the bridge site. An explanation as to why this is so is provided. (C) 2001 American Institute of Physics.

Photoschaltbare Azobenzol-modifizierte selbstorganisierte Monoschichten auf Gold(111)-Oberflächen

Für die Entwicklung photoschaltbarer selbstorganisierter Monoschichten (SAMs) auf Gold(111)-Oberflächen wurden neue Azobenzol-terminierte Asparagussäure - und Liponsäurederivate synthetisiert. Um den Einfluss lateraler Wasserstoffbrückenbindungen auf Qualität und Orientierungsordnung der Schichten zu untersuchen, wurden Monolagen, die durch amid- und esterverknüpfte Verbindungen gebildet wurden, miteinander verglichen. Die Filmbildung aus der Lösung wurde in situ durch optische Frequenzverdopplung (SHG) untersucht und die Photoreaktivität mittels Kontaktwinkelmessungen, Oberflächen-Plasmonenresonanz (SPR) und Ellipsometrie verfolgt. SAMs auf Gold wurden außerdem mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Nahkanten-Reflexions-Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) und Infrarot-Reflexionsabsorptionsspektroskopie (IRRAS) charakterisiert, um die Filmqualität, die Bindung ans Substrat und Orientierungsordnung im Film zu ermitteln. Da die Chemisorption auf polykristallinem Gold formal der Koordinationschemie von 1,2-Dithiolan-Derivaten gegenüber nullwertigen Edelmetall-Zentralatomen entspricht, wurden etliche Pt-Komplexe durch oxidative Addition an [Pt(PPh3)4] dargestellt. Im Zusammenhang mit der Darstellung der Asparagussäure wurde die Kristallstruktur von [pipH]2[WS4] und der neuen Verbindungen [pipH]3[WS4](HS) und [pipH]4[WS4][WOS3] (pip = Piperidin) bestimmt. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Piperidinium-Kationen und den Thiowolframat-Anionen spielen eine dominante strukturelle Rolle.

Using Polycarbonate Membranes as Templates for the Preparation of Au Nanostructures for Surface-Enhanced Raman Scattering

Polycarbonate membranes (PCM) of various pores sizes (400, 200, 100 and 50 nm) were used as templates for gold deposition. The electrodeposition from gold ions resulted in the formation of gold nanotubes when large pores size PCMs (400 and 200 nm) were used. On the other hand, gold nanowires were predominant for the PCMs with smaller pores size (100 and 50 nm). Surface-enhanced Raman scattering (SERS) from the probe molecule 4-mercaptopyridine (4-MPy) was obtained from all these nanostructures. The SERS efficiency of the substrates produced using the PC M templates were compared to two commonly used SERS platforms: a roughened gold electrode and gold nanostructures electrodeposited through organized polystyrene spheres (PSS). The SERS signal of the probe molecule increased as the pore diameter of the PCM template decreased. Moreover, the SERS efficiency from the nanostructures produced using 50 nm PCM templates was four and two times better than the signal from the roughened gold electrode and the PSS template, respectively. The SERS substrates prepared using PCM templates were more homogenous over a larger area (ca. 1 cm(2)), presented better spatial and sample to sample reproducibility than the other substrates. These results show that SERS substrates prepared using PCM templates are promising for the fabrication of planar SERS platforms for analytical/bioanalytical applications.

A Spatial Analysis of Impervious Surfaces at Colby College in 1965 and 2006

Roads, parking lots, buildings, and other impervious surfaces do not allow rainwater to infiltrate the ground. As a result, they can lead to an increase in runoff to nearby ditches and streams, as well as a greater influx of pollutants such as motor oil that can often be found on paved surfaces. For this project, GIS was used to find the total area covered by impervious surfaces on the Colby campus, and to show how this area has grown in the past 40 years. It was found that new development on the campus has lead to a 56% increase in impervious surfaces at Colby since 1965.

Self assembled monolayers for engineering of structured inorganic materials in the micrometer and submicrometer range

Deutsch:In der vorliegenden Arbeit konnten neue Methoden zur Synthese anorganischer Materialien mit neuartiger Architektur im Mikrometer und Nanometer Maßstab beschrieben werden. Die zentrale Rolle der Formgebung basiert dabei auf der templatinduzierten Abscheidung der anorganischen Materialien auf selbstorganisierten Monoschichten. Als Substrate eignen sich goldbedampfte Glasträger und Goldkolloide, die eine Mittelstellung in der Welt der Atome bzw. Moleküle und der makroskopischen Welt der ausgedehnten Festkörper einnehmen. Auf diesen Substraten lassen sich Thiole zu einer monomolekularen Schicht adsorbieren und damit die Oberflächeneigenschaften des Substrates ändern. Ein besonderer Schwerpunkt bei dieser Arbeit stellt die Synthese speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung ausgerichteten Thiole dar.Im ersten Teil der Arbeit wurden goldbedampfte Glasoberflächen als Template verwendet. Die Abscheidung von Calciumcarbonat wurde in Abhängigkeit der Schichtdicke der adsorbierten Monolage untersucht. Aragonit, eine der drei Hauptphasen des Calciumcarbonat Systems, wurde auf polyaromatischen Amid - Oberflächen mit Schichtdicken von 5 - 400 nm Dicke unter milden Bedingung abgeschieden. Die einstellbaren Parameter waren dabei die Kettenlänge des Polymers, der w-Substituent, die Bindung an die Goldoberfläche über Verwendung verschiedener Aminothiole und die Kristallisationstemperatur. Die Schichtdickeneinstellung der Polymerfilme erfolgte hierbei über einen automatisierten Synthesezyklus.Titanoxid Filme konnten auf Oberflächen strukturiert werden. Dabei kam ein speziell synthetisiertes Thiol zum Einsatz, das die Funktionalität einer Styroleinheit an der Oberflächen Grenze als auch eine Möglichkeit zur späteren Entfernung von der Oberfläche in sich vereinte. Die PDMS Stempeltechnik erzeugte dabei Mikrostrukturen auf der Goldoberfläche im Bereich von 5 bis 10 µm, die ihrerseits über die Polymerisation und Abscheidung des Polymers in den Titanoxid Film überführt werden konnten. Drei dimensionale Strukturen wurden über Goldkolloid Template erhalten. Tetraethylenglykol konnte mit einer Thiolgruppe im Austausch zu einer Hydroxylgruppe monofunktionalisiert werden. Das erhaltene Molekül wurde auf kolloidalem Gold selbstorganisiert; es entstand dabei ein wasserlösliches Goldkolloid. Die Darstellung erfolgte dabei in einer Einphasenreaktion. Die so erhaltenen Goldkolloide wurden als Krstallisationstemplate für die drei dimensionale Abscheidung von Calciumcarbonat verwendet. Es zeigte sich, dass Glykol die Kristallisation bzw. den Habitus des krsitalls bei niedrigem pH Wert modifiziert. Bei erhöhtem pH Wert (pH = 12) jedoch agieren die Glykol belegten Goldkolloide als Template und führen zu sphärisch Aggregaten. Werden Goldkolloide langkettigen Dithiolen ausgesetzt, so führt dies zu einer Aggregation und Ausfällung der Kolloide aufgrund der Vernetzung mehrer Goldkolloide mit den Thiolgruppen der Alkyldithiole. Zur Vermeidung konnte in dieser Arbeit ein halbseitig geschütztes Dithiol synthetisiert werden, mit dessen Hilfe die Aggregation unterbunden werden konnte. Das nachfolgende Entschützten der Thiolfunktion führte zu Goldkolloiden, deren Oberfläche Thiol funktionalisiert werden konnte. Die thiolaktiven Goldkolloide fungierten als template für die Abscheidung von Bleisulfid aus organisch/wässriger Lösung. Die Funktionsweise der Schutzgruppe und die Entschützung konnte mittels Plasmonenresonanz Spektroskopie verdeutlicht werden. Titanoxid / Gold / Polystyrol Komposite in Röhrenform konnten synthetisiert werden. Dazu wurde ein menschliches Haar als biologisches Templat für die Formgebung gewählt.. Durch Bedampfung des Haares mit Gold, Assemblierung eines Stryrolmonomers, welches zusätzlich eine Thiolfunktionalität trug, Polymerisation auf der Oberfläche, Abscheidung des Titanoxid Films und anschließendem Auflösen des biologischen Templates konnte eine Röhrenstruktur im Mikrometer Bereich dargestellt werden. Goldkolloide fungierten in dieser Arbeit nicht nur als Kristallisationstemplate und Formgeber, auch sie selbst wurden dahingehend modifiziert, dass sie drahtförmige Agglormerate im Nanometerbereich ausbilden. Dazu wurden Template aus Siliziumdioxid benutzt. Zum einen konnten Nanoröhren aus amorphen SiO2 in einer Sol Gel Methode dargestellt werden, zum anderen bediente sich diese Arbeit biologischer Siliziumoxid Hohlnadeln aus marinen Schwämmen isoliert. Goldkolloide wurden in die Hohlstrukturen eingebettet und die Struktur durch Ausbildung von Kolloid - Thiol Netzwerken mittels Dithiol Zugabe gefestigt. Die Gold-Nanodrähte im Bereich von 100 bis 500 nm wurden durch Auflösen des SiO2 - Templates freigelegt.

Reconstruction and electrochemical oxidation of Au(110) surface in 0.1 M H2SO4

Variations of the surface structure and composition of the Au(110) electrode during the formation/lifting of the surface reconstruction and during the surface oxidation/reduction in 0.1 M aqueous sulfuric acid were studied by cyclic voltammetry, scanning tunneling microscopy and shell-isolated nanoparticle enhanced Raman spectroscopy. Annealing of the Au(110) electrode leads to a thermally-induced reconstruction formed by intermixed (1×3) and (1×2) phases. In a 0.1 M H2SO4 solution, the decrease of the potential of the atomically smooth Au(110)-(1×1) surface leads to the formation of a range of structures with increasing surface corrugation. The electrochemical oxidation of the Au(110) surface starts by the formation of anisotropic atomic rows of gold oxide. At higher potentials we observed a disordered structure of the surface gold oxide, similar to the one found for the Au(111) surface.