Investigations on the structural, optical and Magnetic properties of nanostructured cerium oxide in pure and doped forms and its polymer nanocomposiets

This thesis Entitled INVESTIGATIONS ON THE STRUCTURAL, OPTICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED CERIUM OXIDE IN PURE AND DOPED FORMS AND ITS POLYMER NANOCOMPOSITES.Synthesis and processing of nanomatelials and nanostmctures are the essential aspects of nanotechnology. Studies on new physical properties and applications of nanomaterials and nanostructures are possible only when nanostructured materials are made available with desired size, morphology,crystal structure and chemical composition.Recently, several methods have been developed to prepare pure and doped CeO2 powder, including wet chemical synthesis, thermal hydrolysis, flux method, hydrothermal synthesis, gas condensation method, microwave technique etc. In all these, some special reaction conditions, such as high temperature, high pressure, capping agents, expensive or toxic solvents etc. have been involved.Another hi gh-li ght of the present work is room temperature ferromagnetism in cerium oxdie thin films deposited by spray pyrolysis technique.The observation of self trapped exciton mediated PL in ceria nanocrystals is another important outcome of the present study. STE mediated mechanism has been proposed for CeO2 nanocrystals based on the dependence of PL intensity on the annealing temperature. It would be interesting to extent these investigations to the doped forms of cerium oxide and cerium oxide thin films to get deeper Insight into STE mechanism.Due to time constraints detailed investigations could not be canied out on the preparation and properties of free standing films of polymer/ceria nanocomposites. It has been observed that good quality free standing films of PVDF/ceria, PS/C61‘l8, PMMA/ceria can be obtained using solution casting technique. These polymer nanocomposite films show high dielectric constant around 20 and offer prospects of applications as gate electrodes in metal-oxide semiconductor devices.

Development of Novel Polymer based Adhesives

Novel latex based and solution based adhesives were prepared and evaluated for wood to wood bonding.These adhesive were found to be superior to commercical adhesives like fevicol and dentrite.Novel adhesives were prepared for leather to leather bonding and these were also found to be more efficientt than the polyurethane type and dentrite adhesives used commercially.A novel strip adhesive system employing very low amount of solvents was tried successfully for rubber-to-metal bonding.Further ,a novel adhesive system was investigated successfully for bonding copper coated bead wire and steel cord to rubber by modifying it with chloroprene rubber.

Studies on Polymer Bound Antioxidants

The primary aim of this work has been to prepare efficient and cost effective polymer bound antioxidants by direct’ attachment of conventional antioxidants to a modified polymer. Due to the importance and easy availability of natural rubber in Kerala, it is proposed to make use of low molecular weight natural rubber as the polymer substrate for binding the antioxidant in most cases. The molecular weight of such low molecular weight natural rubber can be easily manipulated by varying the time of mastication, UV—irradiation etc. Further, the bound antioxidant may also get vulcanized during the vulcanization of the elastomer to which it is added, making the antioxidant non—volatile and non extractable. Several methods are proposed to be investigated for attaching the antioxidant to the low molecular weight natural rubber such as modified Friedel-Craft's alkylation reaction, binding during UV—irradiation, binding during aggressive mastication etc. The efficiency of such rubber bound antioxidants is proposed to be compared with that of conventional antioxidants in terms of volatility, extractability in solvents, ageing resistance etc. Naturally occuring antioxidants such as cardanol, are also proposed to be modified by binding them to low molecular weight natural rubber. The study is undertaken with the intention of generating a class of bound antioxidants which can be used in elastomers for aggressive and long term application.

Development and parametric studies of pulsed nitrogen and d-switched nd:glass lasers and some of their applications

Laser engineering is an area in which developments in the existing design concepts and technology appear at an alarming rate. Now—a-days, emphasis has shifted from innovation to cost reduction and system improvement. To a major extent, these studies are aimed at attaining larger power densities, higher system efficiency and identification of new lasing media and new lasing wavelengths. Todate researchers have put to use all the ditferent Forms of matter as lasing material. Laser action was observed For the first time in a gaseous system - the He-Ne system. This was Followed by a variety of solidstate and gas laser systems. Uarious organic dyes dissolved in suitable solvents were found to lase when pumped optically. Broad band emission characteristics of these dye molecules made wavelength tuning possible using optical devices. Laser action was also observed in certain p-n junctions of semiconductor materials and some of these systems are also tunable. The recent addition to this list was the observation of laser action from certain laser produced plasmas. The purpose of this investigation was to examine the design and Fabrication techniques of pulsed Nitrogen lasers and high power Nd: Glass laserso Attempt was also made to put the systems developed into certain related experiments

" Studies on Laser induced Phatothermal Phenomena in Selected Organic Compounds and Fullerenes"

In the pre—laser era it was difficult to believe that the optical properties of a medium depend upon the intensity of the radiation incident on it. The basis for this conclusion is that the electric field strength associated with the conventional light sources used before the advent of lasers was much smaller than (103 V/cm) the field sttrengths of atomic or interatomic fields (2 107 —- 10” V/cm). The radiation with such low intensity is not able to affect atomic fields to the extent of changing optical parameters. The invention of laser in 1960 was a turning point. The high degree of coherence of the laser radiation provides high spatial concentration of optical power. With the availability of the femtosecond lasers it has become possible to get extremely high peak powers 2 1013 W/cmz). At such high fields, the relationship between electric ‘polarization P and the electric field strength E ceases to be linear and several nonlinear effects begin to occur. Nonlinear absorption, a branch of nonlinear optics, refers to the interaction between radiation and matter accompanied by absorption of more than one photon. Nonlinear absorption has acquired great importance after the invention of high power lasers. One of the objectives of the present work is to investigate the nonlinear absorption processes occurring in fullerene, selected organic solvents and laser dyes. Fullerenes and laser dyes were chosen because of their highly nonlinear behaviour. Fullerenes, the most beautiful among molecules, offer fascinating field of research owinglto their significant structural properties. As toluene, benzene and carbon disulphide are themost widely used solvents for fullerenes, it seems important to study the nonlinear properties of these liquids as well. Like fullerenes, laser dyes also possess highly delocalized 7r electrons which are responsible for their nonlinear absorption. Dye lasers were the fulfillment of an experimenter’s pipe dream - to have a laser that is easily tunable over a wide range of wavelengths. A better understandingof the photophysical properties of laser dyes can significantly enhance the development and technology of dye lasers. We studied the nonlinear absorption properties of two rhodamine dyes to have some insight into their nonlinear optical properties.

An inhibitory compound produced by Pseudomonas with effectiveness on Vibrio harveyi

Persistence of the antivibrio property of the potential antagonistic probiotics, Pseudomonas MCCB 102 and 103, at di¡erent temperatures, pH and in organic solvents was studied. The antivibrio compound was extracted, puri¢ed and characterized using thin-layer chromatography, high-pressure liquid chromatography, liquid chromatography-mass spectroscopy, UV^ Vis and nuclear magnetic resonance spectroscopy and identi¢ed as N-methyl-1-hydroxyphenazine, a phenazine antibiotic. The toxicity of the compound was tested in Penaeus monodon haemocyte culture and the IC50 valuewas found to be1.4 0.31mg L 1. The compound was found to be bacteriostatic at 0.5mg L 1. Its stability to varying temperature, pH, organic solvents, prolonged shelf-life and vibriostatic nature point to its suitability for prophylatic aquaculture application.

Detergent compatible alkaline lipase produced by marine Bacillus smithii BTMS 11

Bacillus smithii BTMS 11, isolated from marine sediment, produced alkaline and thermostable lipase. The enzyme was purified to homogeneity by ammonium sulfate precipitation and ion exchange chromatography which resulted in 0.51 % final yield and a 4.33 fold of purification. The purified enzyme was found to have a specific activity of 360 IU/mg protein. SDS-PAGE analyses, under non-reducing and reducing conditions, yielded a single band of 45 kDa indicating the single polypeptide nature of the enzyme and zymogram analysis using methylumbelliferyl butyrate as substrate confirmed the lipolytic activity of the protein band. The enzyme was found to have 50 C and pH 8.0 as optimum conditions for maximal activity. However, the enzyme was active over wide range of temperatures (30–80 C) and pH (7.0–10.0). Effect of a number of metal salts, solvents, surfactants, and other typical enzyme inhibitors on lipase activity was studied to determine the novel characteristics of the enzyme. More than 90 % of the enzyme activity was observed even after 3 h of incubation in the presence of commercial detergents Surf, Sunlight, Ariel, Henko, Tide and Ujala indicating the detergent compatibility of B. smithii lipase. The enzyme was also found to be efficient in stain removal from cotton cloths. Further it was observed that the enzyme could catalyse ester synthesis between fatty acids of varying carbon chain lengths and methanol with high preference for medium to long chain fatty acids showing 70 % of esterification. Results of the study indicated scope for application of this marine bacterial lipase in various industries

Characterization of an extracellular alkaline serine protease from marine Engyodontium album BTMFS10

An alkaline protease from marine Engyodontium album was characterized for its physicochemical properties towards evaluation of its suitability for potential industrial applications. Molecular mass of the enzyme by matrix-assisted laser desorption ionization-mass spectrometry (MALDI-MS) analysis was calculated as 28.6 kDa. Isoelectric focusing yielded pI of 3–4. Enzyme inhibition by phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) and aprotinin confirmed the serine protease nature of the enzyme.Km, Vmax, and Kcat of the enzyme were 4.727 9 10-2 mg/ml, 394.68 U, and 4.2175 9 10-2 s-1, respectively. Enzyme was noted to be active over a broad range of pH (6–12) and temperature (15–65 C), withmaximumactivity at pH 11 and 60 C. CaCl2 (1 mM), starch (1%), and sucrose (1%) imparted thermal stability at 65 C. Hg2?, Cu2?, Fe3?, Zn2?, Cd?, and Al3? inhibited enzyme activity, while 1 mMCo2? enhanced enzyme activity. Reducing agents enhanced enzyme activity at lower concentrations. The enzyme showed considerable storage stability, and retained its activity in the presence of hydrocarbons, natural oils, surfactants, and most of the organic solvents tested. Results indicate that the marine protease holds potential for use in the detergent industry and for varied applications.

Protease Production by haloarchaea Natrinema sp. BTSH10 isolated from salt pan of South India

The present study led to the recognition of Natrinema sp. BTSH 10 isolated from saltern ponds, as an ideal candidate species for production of gelatinase, which was noted as a halozyme capable of showing enzyme activity in the presence of 15% NaCl. Results obtained during the course of the present study indicated potential for application of this enzyme in industrial catalysis that are performed in the presence of high concentrations of salt. The enzyme characteristics noted with this gelatinase also indicate the scope for probable applications in leather industry, meat tenderization, production of fish sauce and soy sauce. Since halophilic proteases are tolerant to organic solvents, they could be used in antifouling coating preparations used to prevent biofouling of submarine equipments. The gelatinase from haloarchaea could be considered as a probable candidate for peptide synthesis. However, further studies are warranted on this haloarcheal gelatinase particularly on structure elucidation and enzyme engineering to suit a wide range of applications. There is immense scope for developing this halozyme as an industrial enzyme once thorough biochemistry of this gelatinase is studied and a pilot scale study is conducted towards industrial production of this enzyme under fermentation is facilitated. Based on the present study it is concluded that haloarchaea Natrinema sp. that inhabit solar saltern ponds are ideal source for deriving industrially important halozymes and molecular studies on enzymes are prerequisite for their probable industrial applications. This is the first time this species of archaea is recognized as a source of gelatinase enzyme that has potential for industrial applications.

Biobutanol from lignocellulosic biomass by a novel Clostridium sporogenes BE01

In the current study, a novel non-acetone forming butanol and ethanol producer Was isolated and identified. Based on the 16s rDNA sequence BLAST and phylogenetic analyses, it was found to have high similarity with the reported hydrogen producing strains of Clostridium sporogenes. Biochemical studies revealed that it is lipase and protease positive. The lipolytic and proteolytic properties are the very important characteristics of Clostridium sporogenes. Sugar utilization profile studies were positive for glucose, saccharose, cellobiose and weakly positive result to xylose. This study demonstrated C. sporogenes BE01, an isolate from NIIST is having potential to compete with existing, well known butanol producers with the advantage of no acetone in the final solvent mixture. Rice straw hydrolysate is a potent source of substrate for butanol production by C. sporogenes BE01. Additional supplementation of vitamins and minerals were avoided by using rice straw hydrolysate as substrate. Its less growth, due to the inhibitors present in the hydrolysate and also inhibition by products resulted in less efficient conversion of sugars to butanol. Calcium carbonate played an important role in improving the butanol production, by providing the buffering action during fermentation and stimulating the electron transport mediators and redox reactions favoring butanol production. Its capability to produce acetic acid, butyric acid and hydrogen in significant quantities during butanol production adds value to the conversion process of lignocellulosic biomass to butanol. High cell density fermentation by immobilizing the cells on to ceramic particles improved the solvents and VFA production. Reduced sugar utilization from the concentrated hydrolysate could be due to accumulation of inhibitors in the hydrolysate during concentration. Two-stage fermentation was very efficient with immobilized cells and high conversions of sugars to solvents and VFAs were achieved. The information obtained from the study would be useful to develop a feasible technology for conversion of lignocellulosic biomass to biobutanol.

Synthese und Charakterisierung neuartiger, ambipolarer organischer Halbleiter, basierend auf Perylencarboximid-Systemen kombiniert mit funktionalisierten Spirobifluoreneinheiten

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Charakterisierung von donor-funktionalisierten Spiro-Perylencarboximiden, welche für den Einsatz in optoelektronischen Bauelementen wie z.B. organischen Phototransistoren, Feldeffekttransistoren oder Solarzellen vorgesehen sind. Die donorfunktionalisierten Spiro-Perylencarboximide stellen kovalent gebundene Donor-Akzeptor-Verbindungen dar, die unter geeigneter Belichtung einen ladungsgetrennten Zustand bilden können. Die Verbindungen wurden aus unterschiedlichen Spiroamin- und Perylenanhydrid-Edukten synthetisiert, die im Baukastenprinzip zu den entsprechenden Zielverbindungen umgesetzt wurden. Mittels unterschiedlicher Charakterisierungsmethoden (z.B. DSC, TGA, CV, Absorptions- und Fluoreszenzmessungen) wurden die Eigenschaften der neuartigen Zielverbindungen untersucht. Im Rahmen der Arbeit wurden vier neue Spiroamin-Edukte erstmalig synthetisiert und charakterisiert. Sie wurden durch Reduktion aus den bisher noch nicht beschriebenen Nitroverbindungen bzw. mittels Pd-katalysierter Kreuzkupplung (Hartwig-Buchwald-Reaktion) aus einer halogenierten Spiroverbindung erhalten. Als Perylenanhydrid-Edukt wurde erstmals eine perfluorierte Perylenanhydrid-Imid-Verbindung hergestellt. Aus den Spiroamin- und Perylenanhydrid-Edukten wurden insgesamt neun neue, donorfunktionalisierte Spiro-Perylencarboximide synthetisiert. Zusätzlich wurden sechs neuartige Spiro-Perylencarboximide ohne Diphenylamin-Donor hergestellt, die als Vergleichsverbindungen dienten. Die donorfunktionalisierten Spiro-Perylencarboximide besitzen eine Absorption im UV- und sichtbaren Spektralbereich, wobei hohe Extinktionskoeffizienten erreicht werden. Die Verbindungen zeigen in verdünnter Lösung (sowohl in polaren als auch in unpolaren Lösungsmitteln) eine Fluoreszenzquantenausbeute unter 1 %, was auf einen effizienten Ladungstransfer zurückzuführen ist. Alle donorfunktionalisierten Spiro-Perylencarboximide zeigen in den CV-Messungen reversibles Verhalten. Mittels CV-Messungen und optischer Methode konnten die HOMO- und LUMO-Lagen der jeweiligen Molekülhälften berechnet und das Fluoreszenzverhalten der Verbindungen erklärt werden. Ebenso konnten die Auswirkungen von unterschiedlichen Substituenten auf die jeweiligen HOMO-/LUMO-Lagen näher untersucht werden. Die durchgeführten DSC- und TGA-Untersuchungen zeigen hohe morphologische und thermische Stabilität der Verbindungen, wobei Glasübergangstemperaturen > 211 °C, Schmelztemperaturen > 388 °C und Zersetzungstemperaturen > 453 °C gemessen wurden. Diese Werte sind höher als die bisher in der Literatur für ähnliche spiroverknüpfte Verbindungen berichteten. Als besonders interessant haben sich die unsymmetrischen donorfunktionalisierten Spiro-Perylencarboximide herausgestellt. Sie zeigen hohe Löslichkeit in gängigen Lösungsmitteln, sind bis zu einer Molmasse < 1227 g/mol aufdampfbar und bilden stabile, amorphe Schichten.

Patent DE10 2004 037 519 B4 “Sensor Process and Device for Determining a Physical Value“. A Proof of Concept

At present, a fraction of 0.1 - 0.2% of the patients undergoing surgery become aware during the process. The situation is referred to as anesthesia awareness and is obviously very traumatic for the person experiencing it. The reason for its occurrence is mostly an insufficient dosage of the narcotic Propofol combined with the incapability of the technology monitoring the depth of the patient’s anesthetic state to notice the patient becoming aware. A solution can be a highly sensitive and selective real time monitoring device for Propofol based on optical absorption spectroscopy. Its working principle has been postulated by Prof. Dr. habil. H. Hillmer and formulated in DE10 2004 037 519 B4, filed on Aug 30th, 2004. It consists of the exploitation of Intra Cavity Absorption effects in a two mode laser system. In this Dissertation, a two mode external cavity semiconductor laser, which has been developed previously to this work is enhanced and optimized to a functional sensor. Enhancements include the implementation of variable couplers into the system and the implementation of a collimator arrangement into which samples can be introduced. A sample holder and cells are developed and characterized with a focus on compatibility with the measurement approach. Further optimization concerns the overall performance of the system: scattering sources are reduced by re-splicing all fiber-to-fiber connections, parasitic cavities are eliminated by suppressing the Fresnel reflexes of all one fiber ends by means of optical isolators and wavelength stability of the system is improved by the implementation of thermal insulation to the Fiber Bragg Gratings (FBG). The final laser sensor is characterized in detail thermally and optically. Two separate modes are obtained at 1542.0 and 1542.5 nm, tunable in a range of 1nm each. Mode Full Width at Half Maximum (FWHM) is 0.06nm and Signal to Noise Ratio (SNR) is as high as 55 dB. Independent of tuning the two modes of the system can always be equalized in intensity, which is important as the delicacy of the intensity equilibrium is one of the main sensitivity enhancing effects formulated in DE10 2004 037 519 B4. For the proof of concept (POC) measurements the target substance Propofol is diluted in the solvents Acetone and DiChloroMethane (DCM), which have been investigated for compatibility with Propofol beforehand. Eight measurement series (two solvents, two cell lengths and two different mode spacings) are taken, which draw a uniform picture: mode intensity ratio responds linearly to an increase of Propofol in all cases. The slope of the linear response indicates the sensitivity of the system. The eight series are split up into two groups: measurements taken in long cells and measurements taken in short cells.

Highly Sensitive Sensor Based On Intracavity Laser Absorption Spectroscopy By Means of Relative Intensity Noise

This thesis concerns with the main aspects of medical trace molecules detection by means of intracavity laser absorption spectroscopy (ICLAS), namely with the equirements for highly sensitive, highly selective, low price, and compact size sensor. A novel two modes semiconductor laser sensor is demonstrated. Its operation principle is based on the competition between these two modes. The sensor sensitivity is improved when the sample is placed inside the two modes laser cavity, and the competition between the two modes exists. The effects of the mode competition in ICLAS are discussed theoretically and experimentally. The sensor selectivity is enhanced using external cavity diode laser (ECDL) configuration, where the tuning range only depends on the external cavity configuration. In order to considerably reduce the sensor cost, relative intensity noise (RIN) is chosen for monitoring the intensity ratio of the two modes. RIN is found to be an excellent indicator for the two modes intensity ratio variations which strongly supports the sensor methodology. On the other hand, it has been found that, wavelength tuning has no effect on the RIN spectrum which is very beneficial for the proposed detection principle. In order to use the sensor for medical applications, the absorption line of an anesthetic sample, propofol, is measured. Propofol has been dissolved in various solvents. RIN has been chosen to monitor the sensor response. From the measured spectra, the sensor sensitivity enhancement factor is found to be of the order of 10^(3) times of the conventional laser spectroscopy.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Organische Mikro- und Nanodrähte auf Basis von Perylendiimiden

Diese Arbeit thematisiert die optimierte Darstellung von organischen Mikro- und Nanodrähten, Untersuchungen bezüglich deren molekularen Aufbaus und die anwendungsorientierte Charakterisierung der Eigenschaften. Mikro- und Nanodrähte haben in den letzten Jahren im Zuge der Miniaturisierung von Technologien an weitreichendem Interesse gewonnen. Solche eindimensionalen Strukturen, deren Durchmesser im Bereich weniger zehn Nanometer bis zu einigen wenigen Mikrometern liegt, sind Gegenstand intensiver Forschung. Neben anorganischen Ausgangssubstanzen zur Erzeugung von Mikro- und Nanodrähten haben organische Funktionsmaterialien aufgrund ihrer einfachen und kostengünstigen Verarbeitbarkeit sowie ihrer interessanten elektrischen und optischen Eigenschaften an Bedeutung gewonnen. Eine wichtige Materialklasse ist in diesem Zusammenhang die Verbindungsklasse der n-halbleitenden Perylentetracarbonsäurediimide (kurz Perylendiimide). Dem erfolgreichen Einsatz von eindimensionalen Strukturen als miniaturisierte Bausteine geht die optimierte und kontrollierte Herstellung voraus. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde die neue Methode der Drahterzeugung „Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre“ entwickelt, welche auf Selbstassemblierung der Substanzmoleküle aus Lösung basiert und unter dem Einfluss von Lösungsmitteldampf direkt auf einem vorgegebenen Substrat stattfindet. Im Gegensatz zu literaturbekannten Methoden ist kein Transfer der Drähte aus einem Reaktionsgefäß nötig und damit verbundene Beschädigungen der Strukturen werden vermieden. Während herkömmliche Methoden in einer unkontrolliert großen Menge von ineinander verwundenen Drähten resultieren, erlaubt die substratbasierte Technik die Bildung voneinander separierter Einzelfasern und somit beispielsweise den Einsatz in Einzelstrukturbauteilen. Die erhaltenen Fasern sind morphologisch sehr gleichmäßig und weisen bei Längen von bis zu 5 mm bemerkenswert hohe Aspektverhältnisse von über 10000 auf. Darüber hinaus kann durch das direkte Drahtwachstum auf dem Substrat über den Einsatz von vorstrukturierten Oberflächen und Wachstumsmasken gerichtetes, lokal beschränktes Drahtwachstum erzielt werden und damit aktive Kontrolle auf Richtung und Wachstumsbereich der makroskopisch nicht handhabbaren Objekte ausgeübt werden. Um das Drahtwachstum auch hinsichtlich der Materialauswahl, d. h. der eingesetzten Ausgangsmaterialien zur Drahterzeugung und somit der resultierenden Eigenschaften der gebildeten Strukturen aktiv kontrollieren zu können, wird der Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Morphologie der Selbstassemblierungsprodukte am Beispiel unterschiedlicher Derivate betrachtet. So stellt sich zum einen die Art der eingesetzten Lösungsmittel in flüssiger und gasförmiger Phase beim Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre als wichtiger Faktor heraus. Beide Lösungsmittel dienen als Interaktionspartner für die Moleküle des funktionellen Drahtmaterials im Selbstassemblierungsprozess. Spezifische Wechselwirkungen zwischen Perylendiimid-Molekülen untereinander und mit Lösungsmittel-Molekülen bestimmen dabei die äußere Form der erhaltenen Strukturen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Molekülstruktur des verwendeten funktionellen Perylendiimids. Es wird der Einfluss einer Bay-Substitution bzw. einer unsymmetrischen Imid-Substitution auf die Morphologie der erhaltenen Strukturen herausgestellt. Für das detaillierte Verständnis des Zusammenhanges zwischen Molekülstruktur und nötigen Wachstumsbedingungen für die Bildung von eindimensionalen Strukturen zum einen, aber auch die resultierenden Eigenschaften der erhaltenen Aggregationsprodukte zum anderen, sind Informationen über den molekularen Aufbau von großer Bedeutung. Im Rahmen der Doktorarbeit konnte ein molekular hoch geordneter, kristalliner Aufbau der Drähte nachgewiesen werden. Durch Kombination unterschiedlicher Messmethoden ist es gelungen, die molekulare Anordnung in Strukturen aus einem Spirobifluoren-substituierten Derivat in Form einer verkippten Molekülstapelung entlang der Drahtlängsrichtung zu bestimmen. Um mögliche Anwendungsbereiche der erzeugten Drähte aufzuzeigen, wurden diese hinsichtlich ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften analysiert. Neben dem potentiellen Einsatz im Bereich von Filteranwendungen und Sensoren, sind vor allem die halbleitenden und optisch wellenleitenden Eigenschaften hervorzuheben. Es konnten organische Transistoren auf der Basis von Einzeldrähten mit im Vergleich zu Dünnschichtbauteilen erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeiten präpariert werden. Darüber hinaus wurden die erzeugten eindimensionalen Strukturen als aktive optische Wellenleiter charakterisiert. Die im Rahmen der Dissertation erarbeiteten Kenntnisse bezüglich der Bildung von eindimensionalen Strukturen durch Selbstassemblierung, des Drahtaufbaus und erster anwendungsorientierter Charakterisierung stellen eine Basis zur Weiterentwicklung solcher miniaturisierter Bausteine für unterschiedlichste Anwendungen dar. Die neu entwickelte Methode des Trocknens unter Lösungsmittelatmosphäre ist nicht auf den Einsatz von Perylendiimiden beschränkt, sondern kann auf andere Substanzklassen ausgeweitet werden. Dies eröffnet breite Möglichkeiten der Materialauswahl und somit der Einsatzmöglichkeiten der erhaltenen Strukturen.