Rapid electron propagation through molecular wire monolayers sandwiched between two gold electrodes

Conjugated bisthioester 1 was synthesized applying Sonogashira coupling reactions. Using self-assembly in combination with nanoparticles deposition techniques, we developed a novel method to fabricate a "gold electrode-molecular wire monolayers-gold nanoparticles" sandwich-like structure. Rapid electron propagation through this sandwich-like structure was observed by cyclic voltammetry and ac impedance measurements.

Probing Charge Transport of Ruthenium-Complex-Based Molecular Wires at the Single-Molecule Level

A ruthenium(II) bis(sigma-arylacetylide)-complex-based molecular wire functionalized with thiolacetyl alligator clips at both ends (OPERu) was used to fabricate gold substrate-molecular wire-conductive tip junctions. To elucidate the ruthenium-complex-enhanced charge transport, we conducted a single-molecule level investigation using the technique-combination method, where electronic delay constant, single-molecular conductance, and barrier height were obtained by scanning tunneling microscopy (STM) apparent height measurements, STM break junction measurements, and conductive probe-atomic force microscopy (CP-AFM) measurements, respectively.

trans-Polyacetylene on sodium and cesium mordenites: a resonance Raman spectroscopic study

Sodium and cesium mordenite (denoted NaM and CsM, respectively) were investigated as potential catalysts for the synthesis of polyacetylene ((CH) x). Both were successful in initiating polymerization of purified gaseous acetylene at room temperature as evidenced by Raman spectroscopic studies. The polyacetylene synthesised in this way exhibited resonance enhancement of the polyene skeletal vibrations. trans-Polyacetylene, but no cis-(CH) x, was detected. As no apparent coloration of the NaM and CsM substrates accompanied the formation of trans-(CH) x it was concluded that only small quantities of the polymer were present. The number of conjugated double bonds was estimated from the frequencies of the Raman active C-C and C=C stretching vibrations, and it was shown that the trans-(CH) x formed on CsM has a distribution of conjugation lengths ranging from less than 6 to at least 30 double bonds. The polyacetylene formed on NaM was significantly shorter and was produced in lower yields than that synthesized on CsM. "Sliced" resonance excitation profiles of polyacetylene formed on CsM were obtained using nearly 40 different excitation wavelengths and these confirmed that the adsorbed trans-(CH) x was composed of segments having a distribution of conjugated lengths. The architecture of the mordenite pore system permitted only a single polymer molecule per channel, thereby preventing cross-linking. Raman spectroscopic studies of the effects of exposure to air revealed that progressive oxidative degradation occurred with a reduction in the number of conjugated double bond

Spectroscopic investigation of the polymerisation of pyrrole and thiophene within zeolite channels

The reaction of pyrrole and thiophene monomers with copper- or nickel-exchanged mordenite has been investigated using X-ray photoelectron (XPS) and photoacoustic infrared (PAIRS) spectroscopies. Because of the differing oxidising powers of the cations studied, polymerisation occurred only with copper-exchanged mordenite. PAIRS and XPS data indicated that both polypyrrole and polythiophene were partially oxidised when synthesised within the zeolite structure. IR spectra of polythiophene and polythiophene and polypyrrole showed intense bands typical of ring vibrations which could couple to the large dipole change induced by charges moving along the polythiophene chain. In addition it was noted that only vibrations typical of oxidised polymer structures were recorded, suggesting that the charge carrier was located within these segments. Furthermore, N 1s spectra contained a high binding energy peak at 402.5 eV which was attributed to a positively charged nitrogen species, in agreement with IR data. Significantly, C 1s spectra confirmed that molecular wires were formed within the confines of the zeolite lattice. Depth-profiling experiments suggested that polypyrrole was distributed throughout the entire zeolite host. By contrast, polythiophene may have been restricted to the uppermost zeolite channels owing to the ability of sulfur species to bond to CuI sites [produced by reduction of copper(II) ions during the polymerisation process], thus obstructing movement along the channels.

Length dependence of electron conduction for oligo(1,4-phenylene ethynylene)s: A conductive probe-atomic force microscopy investigation

The dependence of electron conduction of oligo(1,4-phenylene ethynylene)s (OPEs) on length, terminal group, and main chain structure was examined by conductive probe-atomic force microscopy (CP-AFM) via a metal substrate-molecular wire monolayer-conductive probe junction. The electron transport in the molecular junction was a highest occupied molecule orbital (HOMO)-mediated process following a coherent, non-resonant tunneling mechanism represented by the Simmons equation.

A one-pot procedure to prepare ethynylferrocene and iodoethynylferrocene

Ethynylferrocene and iodoethynylferrocene were prepared in high yield as 88-90% through a one-pot procedure. 1, 1'-diiodoferrocenylene was in-situ prepared from reaction of CHI3 PPh3, t-BuOK and ferrocenecarboxaldehyde, further reaction with t-BuOK or n-BuLi gave the title compounds.

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.

Mixed-valence state of symmetric diruthenium complexes: synthesis, characterization, and electron transfer investigation

Complexes of the type {[(pyS)Ru(NH3)(4)](2)-mu-L}(n), where pyS = 4-mercaptopyridine, L = 4,4'-dithiodipyridine (pySSpy), pyrazine (pz) and 1,4-dicyanobenzene (DCB), and n = +4 and +5 for fully reduced and mixed-valence complexes, respectively, were synthesized and characterized. Electrochemical data showed that there is electron communication between the metal centers with comproportionation constants of 33.2, 1.30 x 10(8) and 5.56 x 10(5) for L = pySSpy, pz and DCB, respectively. It was also observed that the electronic coupling between the metal centers is affected by the p-back-bonding interaction toward the pyS ligand. Raman spectroscopy showed a dependence of the intensity of the vibrational modes on the exciting radiations giving support to the assignments of the electronic transitions. The degree of electron communication between the metal centers through the bridging ligands suggests that these systems can be molecular wire materials.

Poly(para-phenylenethinylen)e - Synthese, Charakterisierung und Eigenschaften von endfunktionalisierten Polymeren und Stäbchen-Knäuel-Diblockcopolymeren

Der erste Teil der vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit der Eignung des ?,?-dithiolfunktionalisierten Poly(para-phenylenethinylen)s (PPE) als sogenannter „molekularer Draht“ für die molekulare Elektronik. Über die HECK-CASSAR-SONOGASHIRA-Reaktion wurden vollständig endfunktionalisierte, defektfreie Polymere mit durchschnittlichen Polymerisationsgraden von bis zu 45 Repetitionseinheiten synthetisiert. Die starke Aggregationsneigung der PPE, die die Anordnung der Polymerketten zwischen den Goldelektroden unterstützen soll, wurde mittels Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskopie untersucht. Für die Untersuchungen zur Dotierbarkeit wurden ESR-, ENDOR-, UPS- und XPS-Messungen durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich das PPE reduzieren lässt.Im zweiten Teil der Arbeit wurden die PPE zur Synthese von Stäbchen-Knäuel-Diblockcopolymeren eingesetzt. Die Darstellung erfolgte nach der 'grafting onto'-Methode, indem monocarboxyl-endfunktionalisiertes PPE mit flexiblen monohydroxyl-endfunktionalisiertem Polyethylenglykol, Polydimethylsulfoxid bzw. Polytetrahydrofuran verestert wurde. Den Nachweis der Diblockcopolymerbildung erbrachten die 1H?NMR-Spektroskopie und die für Diblockcopolymere noch wenig angewandte MALDI-TOF-Massenspektrometrie. Mittels Rasterkraftmikroskopie und Computersimulationen zur Molekularmechanik und -dynamik wurden die Aggregationseigenschaften der Diblockcopolymere untersucht.

Multichromophore Systeme auf Basis von Rylencarbonsäureimiden

Die Leistung multichromophorer Systeme geht oftmals über die der einzelnen Chromophor-Einheiten hinaus. Ziel der vorliegenden Dissertation mit dem Titel „Multichromophore Systeme auf Basis von Rylencarbonsäureimiden“ war daher die Synthese und Charakterisierung multichromophorer Molekülarchitekturen. Die verwendeten Rylenfarbstoffe zeichnen sich durch hohe photochemische Stabilitäten sowie nahezu quantitative Fluoreszenzquantenausbeuten aus. Die optischen und elektronischen Eigenschaften multichromophorer Systeme hängen stark von der geometrischen Ordnung ab, in der die Farbstoffe zueinander stehen. Daher wurden für den Einbau formpersistente Gerüststrukturen gewählt. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einbau ein und desselben Chromophortyps und hat neben dem Verständnis von Chromophor-Wechselwirkungen vor allem die Erhöhung des Absorptionsquerschnitts und der Fluoreszenzintensität zum Ziel. Als Gerüststruktur dienen dabei Polyphenylen-Dendrimere, Ethinyl-verbrückte Dendrimere sowie Übergangsmetall-vermittelte supramolekulare Strukturen. Aufgrund der hohen Farbstoffanzahl, des ortsdefinierten Einbaus und den hohen Fluoreszenzquantenausbeuten eignen sich diese multichromophoren Systeme als Fluoreszenzsonden und als Einzelphotonenemitter. Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Chromophortypen zu multichromophoren Systemen verknüpft, mit deren Hilfe ein vektorieller Energietransfer möglich ist. Mit Hinsicht auf die Verwendung in photovoltaischen Zellen wurde eine dendritische Triade dargestellt. Eine lineare Variante einer Rylen-Triade stellt einen molekularen Draht dar, deren Brückenelement durch eine geeignete Syntheseführung verlängert und der Energietransport daher abstandsabhängig untersucht werden kann.

Junções moleculares e agregados de nanobastões de ouro: um estudo SERS

A Espectroscopia Raman Intensificada pela Superfície (SERS) é um efeito de intensificação da intensidade Raman de uma molécula adsorvida numa superfície metálica nanoestruturada. Esta característica permite a utilização do SERS na caracterização vibracional de sistemas como junções moleculares (JM) (JM são sistemas constituídos de fios moleculares sintetizados em junções do tipo metal|fiomolecular|metal) e, no entendimento de quais características morfológicas de agregados metálicos mais influenciariam no sinal SERS obtido. Portanto, esta tese apresenta os seguintes objetivos: (a) síntese e caracterização de substratos SERS ativos, nanoesferas (AuNE) e nanobastões (AuNB) de ouro e eletrodo de ouro ativado eletroquimicamente; (b) síntese e caracterização SERS de fios moleculares em JM; (c) estudo do acoplamento plasmônico entre as superfícies metálicas em JM; (d) correlação entre SERS - morfologia de agregados individuais de AuNB. Os fios moleculares estudados foram os da família das oligofeniliminas (OPI) e, no melhor do nosso entendimento, esta foi a primeira vez que fios moleculares desta família foram caracterizados por Raman e SERS. As JM apresentaram um comportamento SERS não esperado. Enquanto para o modo vibracional, v(CS), a intensidade da banda se apresentou constante com o aumento do espaçamento entre as nanoestruturas metálicas (para distâncias de até 5 nm), o modo vibracional, β(CH), teve a intensidade de sua banda aumentada. Este comportamento foi explicado considerando a diferente natureza da interação dos plasmons nas JM, sendo estas interações do tipo, ressonância de plasmon de superfície (LSPR) - dipolo imagem, para ambos os modos. No entanto, para o modo β(CH) existe também uma intensificação extra devido ao aumento da polarizabilidade dos fios moleculares com o aumento do número de unidades. A correlação SERS - morfologia dos agregados de AuNB indicam que, para agregados onde predominam interações ponta a ponta, os espectros SERS apresentavam uma maior intensidade quando comparados com aqueles em que interações lado a lado predominavam. No entanto, este comportamento não foi observado para agregados contendo mais do que cinco nanopartículas onde estes dois tipos de interações ocorrem indicando que deve existir um acoplamento dos plasmons destes dois tipos de interações contribuindo para maiores valores de intensidade SERS.

Atomic hydrogen induced step bunching and fabrication of quantum wire arrays on GaAs (311)A substrate by molecular beam epitaxy

Atomic hydrogen assisted molecular beam epitaxy (MBE) is a novel type of epitaxial growth of nanostructures. The GaAs (311)A surface naturally forms one-dimensional step arrays by step bunching along the direction of (-233) and the space period is around 40nm. The step arrays extend over several mum without displacement. The InGaAs quantum wire arrays are grown on the step arrays as the basis. Our results may prompt further development of more uniform quantum wire and quantum dot arrays.

Stabilization of exotic minority phases in a multicomponent self-assembled molecular network

Trimesic acid (TMA) and alcohols were recently shown to self-assemble into a stable, two-component linear pattern at the solution/highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) interface. Away from equilibrium, the TMA/alcohol self-assembled molecular network (SAMN) can coexist with pure-TMA networks. Here, we report on some novel characteristics of these non-equilibrium TMA structures, investigated by scanning tunneling microscopy (STM). We observe that both the chicken-wire and flower-structure TMA phases can host 'guest' C60 molecules within their pores, whereas the TMA/alcohol SAMN does not offer any stable adsorption sites for the C60 molecules. The presence of the C60 molecules at the solution/solid interface was found to improve the STM image quality. We have taken advantage of the high-quality imaging conditions to observe unusual TMA bonding geometries at domain boundaries in the TMA/alcohol SAMN. Boundaries between aligned TMA/alcohol domains can give rise to doubled TMA dimer rows in two different configurations, as well as a tripled-TMA row. The boundaries created between non-aligned domains can create geometries that stabilize TMA bonding configurations not observed on surfaces without TMA/alcohol SAMNs, including small regions of the previously predicted 'super flower' TMA bonding geometry and a tertiary structure related to the known TMA phases. These structures are identified as part of a homologic class of TMA bonding motifs, and we explore some of the reasons for the stabilization of these phases in our multicomponent system.

Entrapment of a Water Wire in a Hydrophobic Peptide Channel with an Aromatic Lining

A one-dimensional water wire has been characterized by X-ray diffraction in single crystals of the tripeptide Ac-Phe-Pro-Trp-OMe. Crystals in the hexagonal space group P6(5) reveal a central hydrophobic channel lined by aromatic residues which entraps an approximately linear array of hydrogen bonded water molecules. The absence of any significant van der Waals contact with the channel walls suggests that the dominant interaction between the ``water wire'' and ``peptide nanotube'' is electrostatic in origin. An energy difference of 16 KJmol(-1) is estimated for the distinct orientations of the water wire dipole with respect to the macrodipole of the peptide nanotube. The structural model suggests that Grotthuss type proton conduction may, through constricted hydrophobic channels, be facilitated by concerted, rotational reorientation of water molecules.