DE102004015069B9

DE102004015069B9 - Verfahren zur Erzeugung einer regelmäßigen Struktur aus Materiebausteinen und eine solche Struktur umfassende Anordnung

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Publication number: DE102004015069B9
Application number: DE200410015069
Authority: DE
Inventors: Wolfgang M Heckl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: DE102004015069A1; DE102004015069B4

Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer regelmäßigen Struktur aus Materiebausteinen,
– bei dem das Aufwachsen einer Strukturierungsschicht (12) auf einem aus wenigstens einer ersten Substanz (19) bestehenden Trägersubstrat (11) herbeigeführt wird,
– wobei die Strukturierungsschicht (12) aus wenigstens einer zweiten Substanz (20) auf dem Trägersubstrat (11) ein molekulares, vorzugsweise einlagiges Strukturierungsgitter (15) ausbildet,
– bei dem durch das Strukturierungsgitter (15) definierte, regelmäßig angeordnete Aufnahmeplätze (13) zumindest teilweise mit Materiebausteinen (14), wenigstens einer dritten, zu der ersten und zweiten Substanz verschiedenen Substanz (21) besetzt werden und
– bei dem aus den Materiebausteinen (14) der wenigstens einen dritten Substanz (21) wenigstens eines Teils der besetzten Aufnahmeplätze (13) ein geordnetes Raster (17) und/oder eine geordnete, zweidimensionale Übergitterstruktur (17) erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Aufwachsen einer geordneten, dreidimensionalen Gitterstruktur (18) aus Materiebausteinen (14) wenigstens einer vierten, zumindest zu der dritten Substanz verschiedenen Substanz (22) auf dem geordneten Raster oder...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung einer regelmäßigen Struktur aus Materiebausteinen.
Die Nanotechnologie basiert auf dem Zugriff auf einzelne Materiebausteine und bedient sich der Baupläne der belebten und unbelebten Natur zur Einstellung und Optimierung von Produkteigenschaften sowie zur künstlichen Herstellung natürlicher Substanzen.
Insbesondere in hohem Grade organisierte, supramolekulare Strukturen können für moderne Technologien von großem Nutzen sein, beispielsweise in der Energietechnik (Brennstoffzellen, Batterien, Solarzellen, etc.), in der Informationstechnik (hochdichte Speicher, leistungsfähige Prozessoren, etc.), in der Elektronik, in der Optik, in der Sensorik sowie in der Medizin oder in der Biotechnologie. Mit Hilfe der hochgeordneten Strukturen lassen sich beispielsweise die Eigenschaften von Materialien oder Bauteilen verändern bzw. einstellen.
Solche hochgeordneten Strukturen können insbesondere auf Selbstorganisation von Molekülen zurückgeführt werden. Sogenannte selbstorganisierende Monoschichten (Self Assembling Monolayer = SAM) können sich zum Beispiel spontan beim Eintauchen geeigneter Substrate in Lösungen organischer, oberflächenaktiver Substanzen bilden. Insbesondere Alkyl-, Arylthiole, Trichlorsilane aber auch Fettsäuren und Alkylamine bilden hier mit Metallen wie Gold, Silber, Kupfer, Quecksilber und Platin sowie Halbleitern wie Silizium, Galliumarsenid und Indiumphosphid meistens kovalente Bindungen, die dem Adsorbat eine hohe Stabilität verleihen. Zusätzlich führen Van-der-Waals-Kräfte zwischen längeren Alkylketten bzw. p-p-Wechselwirkungen zwischen aromatischen Ringsystemen sowie Wasserstoffbrückenbindungen zu einer hohen inneren Ordnung und darüber hinaus zu einer weiteren Stabilisierung der Monoschichten. Durch die Wahl eines „Spacers” – unterschiedlich lange Alkyl- bzw. Arylketten – und die Verwendung weiterer funktioneller Gruppen lassen sich beispielweise modifizierte Elektroden mit maßgeschneiderten Eigenschaften herstellen (Oberflächenanalyse und Strukturierung selbstorganisierender Monoschichten (SAM); www.pce.unifreiburg.de/Projekte/Monoschichten.html).
Selbstorganisierendes Aufwachsen von Monoschichten kann auch durch Aufdampfen von Substanzen, insbesondere Metallen, induziert werden. Brune et al. beschreiben beispielsweise das Aufwachsen von hochgeordneten, zweidimensionalen Nanaostrukturbereichen durch Nukleation von abgeschiedenen Metallatomen auf Substraten mit periodischen Mustern (Self-organized growth of nanostructure arrays an strain-relief Patterns; H. Brune, M. Giovanni, K. Bromann, K. Kern; Nature, Vol. 394, 30.07.1998). Die Muster sind definiert durch Versetzungen, die sich zum Abbau von Spannungen im Material bilden. Die Spannungsabbaumuster bzw. Versetzungen werden spontan gebildet, wenn eine oder zwei Monoschichten eines Materials mit einer anderen Gitterkonstante als das Substrat auf diesem abgeschieden werden. Die Versetzungen wiederum stoßen häufig adsorbierte Atome, die über die Oberfläche diffundieren, ab und können so als Template bzw. Schablonen für eine begrenzte Nukleation von Nanostrukturen aus den adsorbierten Atome dienen. Die abstoßende Eigenschaft der Versetzungen ist ein Schlüssel, um aus einer regelmäßigen Versetzungsstruktur ein hochgeordnetes, zweidimensionales Insel-Supergitter entstehen zu lassen.
Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung hochgeordneter Monoschichten ist, die abzuscheidenden Substanzen oder entsprechende Ausgangsstoffe in Mizellen (z. B. aus Lipiden oder Polymeren) einzuschließen, die sich in geordneter Form auf die Oberfläche des Substrats anlagern. Durch geeignete Reagenzien werden anschließend die Micellen aufgelöst und gegebenenfalls die Ausgangsstoffe zur Reaktion gebracht. Nachdem alle störenden Komponenten entfernt sind, liegt dann eine Monoschicht aus der oder den gewünschten Substanz(en) vor (vgl. Fabrication of cobalt nanocrystals by rapid pyrolysis in inverse PS-PVP micelles and thermal annealing; Frederic S. Diana, Seung-Heon Lee, Rachel A. Segalman, Pierre M. Petroff, Edward J. Kramer; Mitsubishi Chemical Center for Advanced Materials; University of California, Santa Barbara, oder Homepage des Department of Materials Science and Engineering, Pohang University of Science and Technology, Korea, www.postech.ac.kr/mse/polynano/).
Weiterhin lassen sich hochgeordnete Strukturen aus organischen Molekülen durch Verdampfen im Ultrahochvakuum in einer Effusionszelle, mittels der sogenannten organischen Molekularstrahlepitaxie (Organic Molecular Beam Epitaxy = OMBE) auf Substrate aufbringen. Viele organische Moleküle, insbesondere aromatische Kohlenwasserstoffe, adsorbieren als regelmäßig geordnete, dünne Schichten auf kristallinen Metall- oder Halbleiteroberflächen. Im Allgemeinen hängt das epitaktische Wachstum auf anorganischen Oberflächen stark von der Größe und der Symmetrie der Moleküle und des Substrats, der Konformität der Gitterkonstanten sowie den Adsorbat-Adsorbat- und den Adsorbat-Substrat-Wechselwirkungen ab.
Griessl et al. beschreiben beispielsweise die Adsorption von 1,3,5-Benzoltricarbonsäure (Trimesic Acid = TMA) auf einer einkristalline Graphitoberfläche (Self-Assembled Two-Dimensional Molecular Host-Guest Architectures From Trimesic Acid; S. Griessl, M. Lackinger, M. Edelwirth, M. Hietschold und W. M. Heckl; Single Molecules 3 (2002) 1, 25–31). Hierzu wird durch OMBE eine selbstorganisierte Struktur induziert, die sich durch eine periodische nicht dichte Packung der Moleküle auszeichnet. Als supramolekulare Strukturen konnten zum einen eine sogenannte „Wabenstruktur” bzw. „Hühnerdrahtstruktur”, bei der sich jeweils sechs TMA-Moleküle über die Carboxylgruppen bzw. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Carboxylgruppen zu einem regelmäßigen Sechsring anlagern, und zum anderen eine sogenannte „Blumenstruktur” nachgewiesen werden. Bei der „Blumenstruktur” tritt neben den als Sechsring angeordneten TMA-Molekülen auch eine über die Carboxylgruppen miteinander vernetzte Dreiergruppe an TMA-Molekülen auf, die sich an den Sechsring anschließt. Durch die Anordnung der TMA-Moleküle auf der Substratoberfläche entsteht ein zweidimensionales, strukturiertes Gitter mit definierten Hohlräumen in einer Größenordnung, die die Aufnahme eines Gastmoleküls oder -atoms ermöglichen kann.
Speziell für die durch OBME erzeugte TMA-Monoschicht wurden darüber hinaus verschiedene weitere Gitterstrukturen beobachtet. So konnten beispielsweise Dmitriev et al. bei der Untersuchung von supramolekularen Anordnungen von TMA auf einer Kupferoberfläche neben der „Wabenstruktur” (bei T = 192 K – 280 K) eine sogenannte „Streifenstruktur” (T ≈ 300 K) nachweisen, die sie auf eine Anlagerung der TMA-Moleküle auf der Substratoberfläche mit im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche ausgerichtetem Benzolring zurückführen (Supramolecular Assemblies of Trimesic Acid on a Cu(100) Surface; A. Dmitriev, N. Lin, J. Weckesser, J. V. Barth and K. Kern; J. Phys. Chem. B 2002, 106, 6907–6912). Die von Dmitriev et al. abgeschiedenen Strukturen weisen jedoch größtenteils noch mangelnde Monodispersität sowohl der erzeugten Monoschicht-Inseln als auch der durch das im Wesentlichen strukturierte Gitter definierten Hohlräume auf.
Spillmann et. al. berichten beispielsweise von einer Rechteckstruktur mit regelmäßig über die Struktur verteilten Nanohohlräumen, wenn TMA-Moleküle zusammen mit Eisenatomen auf einer Kupferoberfläche abgeschieden werden (Hierarchical Assembly of Two-Dimensional Homochiral Nanocavity Arrays; H. Spillmann, A. Dimitriev, N. Lin, P. Messina, J. V. Barth and K. Kern; J. Am. Chem. SOC. 2003, 125, 10725–10728). Durch Metall-Ligand-Bindungen bilden sich dann auf der Substratoberfläche Fe-TMA-Komplexe, die diese Struktur aufweisen können.
Aus Stepanow et. al. „Steering molecular organization and host-guest interactions using two-dimensional nanoporous coordination systems”, ist bereits das Aufwachsen einer Strukturierungsschicht auf einem aus wenigstens einer ersten Substanz bestehenden Trägersubstrat bekannt. Bei dem dort eingesetzten Trägersubstrat handelt es sich um ein metallisches, nämlich um ein Kupfersubstrat. Es wird dort eine Strukturierungsschicht aus wenigstens einer zweiten Substanz ausgebildet, wobei insgesamt ein mehr oder weniger regelmäßiges Metallorganisches-Netzwerk (MOC) geschaffen wird.
Aus Chapman et. al. „Templation and Encapsulation in Supramolecular Chemistry” sind allgemeine Templat-Verfahren bekannt.
Durch die in den vorangehenden Beispielen angeführten Verfahren lassen sich verschiedenartige strukturierte Monoschichten auf einer Substratoberfläche erzeugen. Solche Monoschichten können die physikalischen Eigenschaften eines Substrats in einer gewünschten Weise verändern, beispielsweise Isolations- oder Leitfähigkeit oder eine katalytische Wirkung.
Die Möglichkeiten die physikalischen oder chemischen Eigenschaften von Produkten zu verändern und zu optimieren sind damit jedoch noch lange nicht ausgeschöpft. Viele Substanzen oder Mischungen lassen sich mit den vorgenannten Verfahren nicht in eine hochgeordnete, supramolekulare Struktur überführen, die sowohl zur Optimierung von Produkteigenschaften als auch für wissenschaftliche Untersuchungen der Substanzen vorteilhaft wäre. Zudem sind die mit den vorgenannten Verfahren erzeugten Monoschichten für das Erreichen gewünschter Produkteigenschaften häufig von nicht ausreichender Qualität bzw. Ordnung.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung einer regelmäßigen Struktur bereitzustellen, durch die verbesserte und erweiterte Möglichkeiten für die Einstellung von Produkteigenschaften sowie für die künstliche Herstellung von Produkten geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den von Anspruch 1 bzw. Anspruch 9 jeweils abhängigen Ansprüchen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Erzeugung einer regelmäßigen Struktur aus Materiebausteinen, umfasst die Schritte:

– Herbeiführen des Aufwachsens einer Strukturierungsschicht auf einem aus wenigstens einer ersten Substanz bestehenden Trägersubstrat,
– wobei die Strukturierungsschicht aus wenigstens einer zweiten Substanz auf dem Trägersubstrat ein molekulares, vorzugsweise einlagiges Strukturierungsgitter ausbildet,
– Besetzen wenigstens eines Teils von durch das Strukturierungsgitter definierten, regelmäßig angeordneten Aufnahmeplätzen mit Materiebausteinen wenigstens einer dritten, zu der ersten und zweiten Substanz verschiedenen Substanz, und
– Erzeugen eines geordneten Rasters und/oder einer geordneten, zweidimensionalen Übergitterstruktur aus den Materiebausteinen der wenigstens einen dritten Substanz wenigstens eines Teils der besetzten Aufnahmeplätze und
– Aufwachsen einer geordneten, dreidimensionalen Gitterstruktur aus Materiebausteinen wenigstens einer vierten, zumindest zu der dritten Substanz verschiedenen Substanz, insbesondere auf dem geordneten Raster oder der geordneten zweidimensionalen Überstruktur.

Das Aufwachsen einer geordneten, dreidimensionalen Gitterstruktur aus Materiebausteinen der wenigstens einen dritten Substanz oder aus Materiebausteinen wenigstens einer vierten, zumindest zu der dritten Substanz verschiedenen Substanz, kann entweder im gleichen Verfahrensschritt erfolgen, in dem die Aufnahmeplätze mit Materiebausteinen besetzt werden oder, wie es häufiger der Fall sein wird, in wenigstens einem weiteren Verfahrensschritt herbeigeführt werden. Das Aufwachsen der geordneten, dreidimensionalen Gitterstruktur aus Materiebausteinen geht vorzugsweise von an den Aufnahmeplätzen aufgenommenen Materiebausteinen, insbesondere von dem geordneten Raster oder der geordneten, zweidimensionale Übergitterstruktur, aus. Die dreidimensionale Gitterstruktur kann die räumliche Ordnung des Rasters bzw. des Übergitters in einer dritten Dimension weiterführen oder ein verändertes Raumgitter ausbilden. Auf diese Weise lassen sich Einkristalle oder kristallähnliche dreidimensionale Gebilde aus schwer oder bislang nicht kristallisierbaren Stoffen erzeugen, die gemeinsam mit dem Substrat zum Einsatz kommen können oder von diesem abgelöst und einer getrennten Verwendung zugeführt werden können.
Trägersubstrat und Strukturierungsschicht können jeweils aus einer oder mehreren Substanzen bestehen, wobei das Trägersubstrat vorzugsweise eine geordnete Kristallstruktur aufweist. Die Strukturierungsschicht wächst vorzugsweise einlagig, d. h. als Monoschicht auf das Trägersubstrat auf. Umfasst die Strukturierungsschicht mehrere Substanzen, so liegen diese meist nebeneinander in einer Monoschicht vor.
Das Strukturierungsgitter wird vorzugsweise durch nicht-kovalente Bindungen der Substanzen untereinander und/oder mit der Substanz des Trägersubstrats stabilisiert. Dazu zählen unter anderem elektrostatische Kräfte, Van-der-Waals-Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen. Das Strukturierungsgitter kann darüber hinaus, je nach eingesetzter Substanz, an die Kristallstruktur bzw. das Raumgitter des Trägersubstrats angepasst aufwachsen. Das Strukturierungsgitter weist vorzugsweise eine nicht dichte bzw. mikroporöse Struktur auf, das bedeutet, das Strukturierungsgitter ist vorzugsweise mit regelmäßig verteilten Freiräumen bzw. Zwischenräumen oder Hohlräumen einer oder mehrerer definierter Größe(n) versehen. Solch eine Struktur kann beispielsweise bei der Verwendung großer bzw. „sperriger” organischer Verbindungen oder Molekülkomplexe mit hoher Atomzahl als Ausgangsstoffe für die Strukturierungsschicht entstehen.
Die Aufnahmeplätze sind, durch das Strukturierungsgitter vorgegebene, für die jeweiligen Materiebausteine der dritten Substanz energetisch günstige Positionen der Strukturierungsschicht. Da das Strukturierungsgitter vorzugsweise einen sehr hohen Ordnungsgrad aufweist, sind auch die Aufnahmeplätze sehr regelmäßig, insbesondere rasterartig, angeordnet. Die Aufnahmeplätze können unter anderen durch spezielle funktionelle oder polare Gruppen der Strukturierungsschicht oder durch die Elektronendichte- und damit die Energieverteilung über die Strukturierungsschicht definiert sein und sowohl Zwischenräume bzw. Hohlräume in der Strukturierungsschicht als auch Positionen an der Oberfläche der Strukturierungsschicht umfassen. Die Materiebausteine der dritten Substanz gehen vorzugsweise keine kovalente Bindung mit der Strukturierungsschicht ein, sondern sind auch hier insbesondere über elektrostatische Kräfte und Van-der-Waals-Kräfte oder Wasserstoffbrückenbindungen gebunden.
Vorzugsweise sind die Aufnahmeplätze nahezu vollständig bzw. wenigstens in einen Bereich auf der Strukturierungsschicht nahezu alle nebeneinanderliegenden Aufnahmeplätze mit der wenigstens einen dritten Substanz besetzt, so dass auf der Strukturierungsschicht ein durchgehendes Raster bzw. eine durchgehende Übergitterstruktur gebildet werden. Es kann aber auch vorteilhaft sein, nur einen Teil der Aufnahmeplätze gezielt zu besetzten, so dass ebenfalls ein geordnetes Raster erzeugt wird, die einzelnen Materiebausteine jedoch einen wesentlich größeren Abstand voneinander aufweisen. Eine Übergitterstruktur hat in der Regel ein geordnetes Raster als Grundlage, wobei die Materiebausteine einen relativ geringen Abstand zueinander aufweisen oder sogar über kovalente oder nicht-kovalente Bindungen miteinander verbunden sein können. Die Übergitterstruktur kann als durchgehende Monoschicht betrachtet werden und spezielle Eigenschaften einer durchgehenden Schicht aufweisen, beispielsweise die Leitfähigkeit betreffend. Die Substanzen der Strukturierungsschicht und die Materiebausteine können jeweils speziell aufeinander abgestimmt sein, insbesondere in den Eigenschaften der chemischen Grundstoffe und in den Gitterparame tern.
Die Anordnung gemäß Anspruch 9 einer regelmäßigen Struktur aus Materiebausteinen, insbesondere zur Verwendung in dem Verfahren bzw. zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem oder mehreren der fakultativ auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche, umfasst ein Trägersubstrat aus wenigstens einer ersten Substanz, eine Strukturierungsschicht aus wenigstens einer zweiten Substanz, die auf das Trägersubstrat aufgewachsen ist und ein molekulares, vorzugsweise einlagiges Strukturierungsgitter ausbildet. Durch das Strukturierungsgitter sind Aufnahmeplätze in einer regelmäßigen Anordnung definiert, die zumindest teilweise mit Materiebausteinen, insbesondere Atomen oder Molekülen oder Molekülkomplexen oder Atom- bzw. Molekülclustern, wenigstens einer dritten, zu der ersten und zweiten Substanz verschiedenen Substanz besetzbar sind zur Erzeugung eines geordneten Rasters und/oder einer geordneten, zweidimensionalen Übergitterstruktur aus den Materiebausteine der wenigstens einen dritten Substanz wenigstens eines Teils der besetzten Aufnahmeplätze.
Die Anordnung gemäß der Erfindung ist ebenfalls zur Erzeugung einer geordneten, dreidimensionalen Gittestruktur aus Materiebausteinen einer vierten, zumindest zu der dritten Substanz verschiedenen Substanz ausgeführt, wobei die geordneten, dreidimensionalen Gitterstruktur aus Materiebausteinen auf an den Aufnahmeplätzen aufgenommenen Materiebausteinen, insbesondere dem geordneten Raster oder der geordneten, zweidimensionale Übergitterstruktur, aufwächst.
Ein der Erfindung zugrundeliegender Gedanke ist es also, auf Grundlage einer hochgeordneten Struktur bzw. eines Strukturierungsgitters oder Strukturierungsrasters, gezielt ein geordnetes Raster und/oder eine geordnete, zweidimensionale Übergitterstruktur aus einer weiteren Substanz zu erzeugen und dadurch weitere Möglichkeiten zur Produktmodifikation zu erschließen. Das geordnete Raster bzw. die Übergitterstruktur kann zum einen, im idealen Fall, durch gezieltes Besetzen von Aufnahmeplätzen erzeugt werden, so dass direkt nach dem Aufbringen der dritten Substanz auf die Strukturierungsschicht die dritten Substanz in einem geordneten Raster bzw. einer Übergitterstruktur vorliegt, das bedeutet die Materiebausteine äquidistant oder in sich wiederholenden Mustern platziert sind.
Werden die Aufnahmeplätze beim Aufbringen der Materiebausteine der dritten Substanz nicht vollständig bzw. nicht regelmäßig besetzt, kann das geordnete Raster bzw. die Übergitterstruktur durch eine geeignete Nachbehandlung der Anordnung, beispielsweise Tempern und/oder akustische Wellen und/oder elektromagnetische Wellen etc., erzeugt werden. Bei diesen Prozessen lagern sich die Materiebausteine auf der Strukturierungsschicht entsprechend um bzw. aneinander an, so dass zumindest in Teilbereichen ein geordnetes Raster bzw. eine Übergitterstruktur ausgebildet wird.
Auf diese Weise können zum einen hochgeordnete Strukturen erzeugt werden, wie sie sich, beispielsweise durch Selbstorganisation auf dem Trägersubstrat, nicht ausbilden könnten. Mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung lassen sich dann beispielsweise unter normalen Bedingungen nicht oder nur schwer kristallisierbare Stoffe auf der Strukturierungsschicht in eine geordnete, insbesondere kristalline oder kristallähnliche, Struktur überführen. Dadurch werden diesen Stoffen und/oder dem Substrat neue Eigenschaften verliehen und neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.
Zum anderen können auch durch die Kombination aus den Gitterstrukturen bzw. der Substanzen der Strukturierungsschicht und dem darauf erzeugten geordneten Raster bzw. Übergitter bzw. der Substanzen des geordneten Rasters bzw. Übergitters spezielle Produkteigenschaften generiert bzw. eingestellt werden. Das Ausbilden eines geordneten Rasters auf der Strukturierungsschicht kann die Eigenschaften dieser Schicht, beispielsweise die Leitfähigkeit oder die Kristallstruktur verändern. Das kann unter anderem in der Elektronik bei der Chipherstellung von Interesse sein, wo durch Dotierung eines Grundmaterials eines elektronischen Bauteiles oder eines integrierten Schaltkreises mit Fremdatomen veränderten Eigenschaften erzeugt werden.
Das Verfahren und die Anordnung gemäß der Erfindung ermöglichen weiterhin die wissenschaftliche Untersuchung von chemischen Verbindungen zur Strukturanalyse. Die räumliche Lage von Bindungspartnern beispielsweise kann in der hochgeordneten Struktur mit geeigneten Geräten und Methoden wie Rastertunnelmikroskopie (RTM), thermischer Desorptionsspektroskopie (TDS) oder Elektronendiffraktometrie (LEED) untersucht werden. Wird gemäß Anspruch 22 die hochgeordnete Struktur bzw. die erfindungsgemäße zur Züchtung von Einkristallen verwendet können Strukturanalysen besonders gut durchgeführt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens und der Anordnung gemäß der Erfindung sind die Aufnahmeplätze durch das Strukturierungsgitter definierte Zwischenräume, insbesondere Hohlräume, in einer regelmäßigen Anordnung, die mit Materiebausteinen besetzt werden bzw. sind. Diese Zwischenräume können Zwischenräume zwischen einzelnen „Inseln” der Strukturierungsschicht umfassen. Vorzugsweise sind die Zwischenräume aber Hohlräume, die sich aus der räumlichen Struktur des Strukturierungsgitters ergeben. Als Beispiel sei hier die Struktur des TMA-Moleküls auf einer Metall- oder Graphit-Oberfläche genannt. Durch die Ausrichtung der Moleküle, beispielweise in Form eines Sechsrings, werden zwischen den Molekülen bzw. im Strukturierungsgitter Hohlräume geschaffen (in diesem Fall in einer Größenordnung von 15 Å), die Materiebausteine verschiedener Größe und in verschiedener Anzahl aufnehmen können. In welcher Position, sprich in welchen Raum- oder Flächenkoordinaten bzgl. des Hohlraums, die Materiebausteine im Hohlraum gehalten werden, ist von der Art und Größe der Materiebausteine und von der Art und der Ausrichtung der wenigstens einen Substanz der Strukturierungsschicht abhängig.
Für das Aufwachsen der Strukturierungsschicht und/oder als Materiebausteine werden vorzugsweise Atome und/oder Moleküle und/oder Molekülkomplexe und/oder Atomcluster und/oder Molekülcluster verwendet. Insbesondere bei der Strukturierungsschicht kann es für die Ausbildung der gewünschten Geometrie des Strukturierungsgitters vorteilhaft sein, mehrere Substanzen in verschiedenen Erscheinungsformen, beispielsweise Moleküle und Atome, zu kombinieren. Die Erscheinungsform einer Substanz als Atom- oder Molekülcluster eines oder mehrere Stoffe ist vor allem für die an den Aufnahmeplätzen aufgenommenen Materiebausteine interessant, da dadurch besondere Eigenschaften erzeugt werden können. Durch eine Kombination mehrerer unterschiedlicher Stoffe mit gleicher oder unterschiedlicher Erscheinungsform können dem erzeugten Raster und/oder Übergitter ebenfalls besondere Eigenschaften verliehen werden. Die Materiebausteine der unterschiedlichen Stoffe bzw. Komponenten des Rasters und/oder Übergitters können dann beispielsweise beliebig auf Aufnahmeplätze der Strukturierungsschicht verteilt sein oder in einer bestimmte Ordnung die Aufnahmeplätze belegen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Geometrie des Strukturierungsgitters, insbesondere eine Art und/oder eine Anzahl und/oder eine Lage der Aufnahmeplätze und/oder eine Größe der Zwischenräume und/oder ein Raumgitter bzw. eine Ausrichtung der Substanzen des Strukturierungsgitters, durch die Temperatur und/oder durch die Art der wenigstens einen ersten Substanz des Trägersubstrats und/oder durch das Raumgitter bzw. die räumliche Ausrichtung der wenigstens einen ersten Substanz des Trägersubstrats und/oder durch die Art der wenigstens einen zweiten Substanz in der Strukturierungsschicht und/oder einer weiteren Substanz in der Strukturierungsschicht eingestellt werden kann. Die weitere Substanz in der Strukturierungsschicht kann eine Hilfssubstanz sein, die gleichzeitig mit der zweiten Substanz oder zeitlich versetzt zu dieser auf die Oberfläche des Trägersubstrats aufgebracht wird, so dass sich entweder ein bestimmtes Strukturierungsgitter aus beiden Substanzen bildet oder ein aufgewachsenes Strukturierungsgitter durch Aufbringen der Hilfssubstanz umstrukturiert. Als Beispiel kann hier das Aufwachsen von TMA-Molekülen auf eine Substratoberfläche genannt werden, die sich zunächst in einer „Wabenstruktur” anlagern und bei Kontakt mit Fe-Atomen durch Fe-TMA-Bindung zu einer „Rechteckstruktur” umlagern.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Aufwachsen insbesondere auf dem geordneten Raster oder der geordneten, zweidimensionale Übergitterstruktur herbeigeführt.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens gemäß der Erfindung wird für das Aufwachsen der geordneten, dreidimensionalen Gitterstruktur die wenigstens eine erste Substanz und/oder die wenigstens eine zweite Substanz als wenigstens eine vierte Substanz verwendet. Die dritte Substanz wird somit beispielsweise in der Substanz der Strukturierungsschicht eingebettet. Auf diese Strukturierungsschicht kann im Anschluss noch das Trägersubstrat aufgebracht werden, sollt sich dies als vorteilhaft erweisen. In einzelnen Fällen kann es vorteilhaft sein, auf die dritte Substanz direkt die Substanz des Trägersubstrats aufzubringen. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Sandwich-Strukturen realisieren, die für die praktische, technische Anwendung von Interesse sein können, da sie sich beispielsweise in ein Bauteil einbetten lassen.
Nach einem besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung werden die Strukturierungsschicht und/oder das geordnete Raster und/oder die geordnete, zweidimensionale Übergitterstruktur und/oder die geordnete, dreidimensionale Gitterstruktur durch Induzieren einer Selbstorganisation der jeweiligen, wenigstens einen Substanz erzeugt. Diese kann insbesondere vorteilhaft mit den folgenden Verfahren im Vakuum oder bei Umgebungsbedingungen erfolgen: durch Aufdampfen der jeweiligen, wenigstens einen Substanz, insbesondere auf ein erhitztes Substrat (Sizzling) oder im Ultrahochvakuum, vorzugsweise mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE), und/oder durch Eintauchen des Trägersubstrats und/oder der Strukturierungsschicht und/oder des geordneten Rasters bzw. der Übergitterstruktur in eine Lösung und/oder durch Aufbringen und Aufschließen von Materiebausteinen enthaltenden Mizellen und/oder durch Aufbringen durch Spritzen, insbesondere durch Spotting.
Besonders bevorzugt angewandt wird die Molekularepitaxie (MBE = Molecular Beam Epitaxy). Dabei werden die Substanzen, aus denen die Struktur bestehen soll, in einer Effusionszelle, beispielsweise eine Knudsen-Effusionszelle, verdampft und als gerichtete Molkülstrahlen auf eine Unterlage, das vorzugsweise beheizte Substrat, aufgedampft. Um Verunreinigungen durch Fremdatome wie Sauerstoff zu vermeiden, findet dieser Vorgang in einem Ultrahochvakuum statt. Die Technik der MBE erlaubt es, Schichten aus unterschiedlichen Atomen aufeinander wachsen zu lassen, die dies unter natürlichen Bedingungen nicht tun würden, weil die Größen der beteiligten Atome zu unterschiedlich sind. Die Schichten können dabei die Struktur des Substrats übernehmen, auf das sie aufgedampft werden, solange die physikalischen Eigenschaften der beiden nicht zu stark voneinander abweichen.
Insbesondere bevorzugt ist es, wenn das geordnete Raster und/oder die geordnete, zweidimensionale Übergitterstruktur an das Strukturierungsgitter angepasst ist, insbesondere die Materiebausteine gleich beabstandet oder in wenigstens eine Raumrichtung periodisch angeordnet und/oder ggf. in gleicher Weise räumlich ausgerichtet sind bzw. das gleiche Raumgitter aufweisen. Darüber hinaus kann es nach einem weiteren Aspekt der Erfindung vorteilhaft sein, wenn die dreidimensionale Gitterstruktur an das Strukturierungsgitter und/oder an die zweidimensionale Übergitterstruktur angepasst ist, insbesondere die Materiebausteine gleich beabstandet oder in wenigstens eine Raumrichtung periodisch angeordnet und/oder ggf. in gleicher Weise räumlich ausgerichtet sind bzw. das gleiche Raumgitter aufweisen und/oder die dreidimensionale Gitterstruktur aus der wenigstens einen zweiten Substanz und/oder aus der wenigstens einen ersten Substanz gebildet ist, so dass eine Sandwich-Struktur erzeugt werden kann.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn dass das Trägersubstrat wenigstens einen organischen und/oder wenigstens einen anorganischen Stoff, insbesondere ein Metall oder ein Halbmetall oder ein Halbleiter, vorzugsweise Gold oder Silber oder Kupfer, oder wenigstens eine organische oder anorganische Verbindung, insbesondere ein Glas oder ein Polymer oder eine Verbindung mit metallischen Eigenschaften, vorzugsweise Graphit, umfasst. Das Trägersubstrat liegt vorzugsweise in einer amorphen oder ein- oder polykristallinen Form vor und kann somit eventuell eine Struktur für das aufwachsende Strukturierungsgitter vorgeben.
Die Strukturierungsschicht umfasst vorzugsweise wenigstens ein Molekül und/oder wenigstens einen Molekülkomplex und/oder wenigstens ein Molekülcluster wenigstens einer organischen Verbindung, insbesondere mit einer Atomzahl von wenigstens 12, und/oder wenigstens einen anorganischen Stoff bzw. wenigstens eine anorganische Verbindung. Für die Strukturierungsschicht besonders bevorzugt eingesetzt werden relativ große organische Moleküle oder Molekülkomplexe mit einer Atomzahl über 12 oder sogar über 20, insbesondere aromatische Verbindungen, wie TMA (1,3,5-Benzoltricarbonsäure), PEBA (4-[-(Pyrid-4-yl-Ethynyl)]-Benzolsäure), PVBA (4-[trans-2-(Pyrid-4-yl-Vinyl)]-Benzolsäure), PTCDA (Perylen Tetracarbonsäure-Dianhydrid), PTCDI (Perylen-Tetracarboxyl-Diimid), Melamin (1,3,5-Triazin-2,4,6-Triamin), Terephtalsäuren und deren Derivate, Isophtalsäuren und deren Derivate, Porphyrine etc. Durch den Einsatz dieser relativ großen und dadurch „sperrigen” Verbindungen lassen sich beispielsweise relativ große, regelmäßig angeordnete Hohlräume erzeugen, die als Aufnahmeplätze für Materiebausteine dienen können. Die Strukturierungsschicht kann eine weitere Substanz, insbesondere eine Hilfssubstanz umfassen, beispielsweise ein Metallatom oder ein Molekül, die mit der anderen Substanz eine kovalente oder nicht-kovalente Bindung eingeht und dadurch die Geometrie des Strukturierungsgitters bzw. die räumliche Ausrichtung der anderen, wenigstens einen zweiten Substanz mitbestimmt.
Nach einem besonders bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen die Materiebausteine der wenigstens einen dritten Substanz wenigstens ein Molekül und/oder wenigstens einen Molekülkomplex und/oder wenigstens ein Atomcluster und/oder wenigstens ein Molekülcluster und/oder Nanopartikel wenigstens eines organischen Stoffes und/oder wenigstens einer organischen Verbindung, insbesondere eine kohlenwasserstoffhaltige oder eine metallorganische Verbindung oder ein Lipid oder ein Protamin oder ein Protein oder ein Proteid oder ein Peptid oder eine Aminosäure. Die Nanopartikel weisen vorzugsweise eine Größe zwischen 1 nm und 100 nm auf. Organische Verbindungen können beispielsweise auch organische Farbstoffmoleküle oder Coronin umfassen. Mit Hilfe der Anordnung bzw. dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich diese Substanzen in eine regelmäßige Struktur, vorzugsweise in eine kristalline oder kristallähnliche Struktur überführen, so dass den Substanzen spezielle Eigenschaften verliehen werden können bzw. die vorteilhaften Eigenschaften dieser Substanzen technologisch genutzt werden können. Darüber hinaus ermöglicht die Anordnung der Substanzen in einem geordneten Raster oder einer Übergitterstruktur in vielen Fällen eine genauere wissenschaftliche Untersuchung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt umfassen die Materiebausteine der wenigstens einen dritten Substanz wenigstens eine biologisch aktive Verbindung, vorzugsweise ein Hämoglobin oder eine DNA-Base oder ein Virus oder ein Enzym oder eine molekulare Maschine. Molekulare Maschinen sind aus einzelnen Molekülen aufgebaute Funktionseinheiten, die für die meisten biologischen Prozesse benötigt werden und je nach ihrem Aufbau als „Motor” oder Steuerung für biologische Prozesse, beispielsweise Muskelkontraktion, Zellbewegung oder Zellteilung, Proteinfaltung, Proteintransport, Proteinabbau oder Photosynthese – um nur einige zu nennen – dienen können. Die Erzeugung eines solchen Raster bzw. Übergitters aber auch einer geordneten, dreidimensionalen Gitterstruktur ermöglicht insbesondere genaue wissenschaftliche Untersuchungen dieser biochemischen Verbindungen zur Strukturanalyse und eröffnet darüber hinaus neue Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin und Pharmazie.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt umfassen die Materiebausteine der wenigstens einen dritten Substanz wenigstens ein Fulleren, insbesondere eine C60-Verbindung oder eine C70-Verbindung, und/oder Kohlenstoffnanopartikel und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen. Die sogenannten Buckminsterfullerene (C60) beispielsweise bestehen aus 60 Kohlenstoffatomen und sind zum Beispiel für die Supraleitung von Interesse. Diesen Verbindungen kann durch das Einfügen von Kalium- oder Natriumatomen ein metallischer Charakter verliehen werden, die C60-Moleküle werden leitend und bei niedrigen Temperaturen supraleitend. Der gleiche Effekt wird auch erzielt, wenn Elektronen weggenommen werden. Die Kristalle zeigen dann bereits bei 52 Kelvin (–221°C) supraleitende Eigenschaften. Werden diese C60-Moleküle in geordneter Weise auf ein Substrat aufgebracht so könnten dadurch zukünftige Anwendungen auf dem Gebiet der Supraleitung realisiert werden. Darüber hinaus konnte beobachte werden, dass sich die C60-Moleküle durch äußere Einflüsse in ihrer Position auf der Strukturierungsschicht verschieben lassen, was ebenfalls für technische Anwendungen von großem Interesse sein kann.
Sogenannte Buckytubes, wenige Nanometer weite Röhren aus netzartig verknüpften Kohlenstoff-Atomen, können beispielsweise in der Elektrotechnik (Transistortechnik, molekulare Drähte) oder Biotechnologie (künstlicher Muskel) oder Werkstofftechnik (Kohlenstoff-Nanotubes in verschiedenen Matrix-Stoffen wie Silizium oder Polymere, Verbessern mechanische Eigenschaften, Verhindern statischer Aufladung, Speichern von Wasserstoff), etc., Einsatz finden.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt umfassen die Materiebausteine der wenigstens einen dritten Substanz wenigstens ein Atom oder ein Atomcluster eines anorganischen Stoffs, insbesondere ein Metall, vorzugsweise ein Goldatom oder ein Goldcluster, oder ein Halbmetall oder ein Halbleiter oder wenigstens ein Molekül oder ein Molekülkomplex oder ein Molekülcluster einer anorganischen Verbindung, wobei die dritte Substanz vorzugsweise metallische, optische, elektronische und/oder magnetische Eigenschaften aufweist.
Anwendungsbereiche für die mit dem Verfahren oder der Anordnung gemäß der Erfindung erzeugten Raster oder Übergitterstrukturen finden sich in der Halbleitetechnik, Elektronik, Optoelektronik, Medizin- und Pharmatechnik, Biotechnologie, Pharmaanalytik oder Proteinkristallographie. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Anordnung als Synthesehilfsmittel oder als Hilfsmittel zur Erzeugung ein geordnetes Moleküldesigns bzw. zur Schaffung neuer Materialien dienen. Zudem können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Materialbeschichtungen mit gezielt eingestellbaren Eigenschaften (elektrische Leitfähigkeit, Oberflächenstruktur, Korrosionsbeständigkeit, katalytische Wirkung, Festigkeit, Härte, Farbe, etc.) und Beschichtungen mit neuen Materialien erzeugt werden.
Insbesondere vorteilhaft kann es sein, wenn das bzw. die aus Materiebausteinen der dritten Substanz gebildete geordnete Raster bzw. zweidimensionale Gitterstruktur zur Erzeugung einer kohärenten elektromagnetischen Schwingung angeregt werden kann.
Des Weiteten kann es vorteilhaft sein, wenn die Materiebausteine der dritten Substanz in dem geordneten Rastet und/oder in der geordneten, zweidimensionalen Übergitterstruktur durch Einwirken einer äußeren Kraft, insbesondere einer Druckkraft oder eines Potentials oder akustischen Wellen oder elektromagnetischer Strahlung, einzeln oder in Gruppen von den Aufnahmeplätzen weg und/oder zwischen einzelnen Aufnahmeplätzen hin und her mechanisch bewegbar sind.
Die vorgenannten Eigenschaften ermöglichen gemäß Anspruch 22 eine Verwendung der Anordnung oder der mittels der Anordnung nach Anspruch 9 oder einem oder mehreren der fakultativ auf Anspruch 9 rückbezogenen Ansprüche, insbesondere unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem oder mehreren der fakultativ auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche, erzeugten regelmäßigen Struktur als Informationsspeicher oder als Lasermaterial oder als Katalysator oder als Elektrode oder als Sensoreinheit oder als molekularer Schalter oder als Startstruktur zur Züchtung von Kristallen oder als industriell einsetzbare Partikel, insbesondere Puder oder Flakes, vorzugsweise als Filtermaterial zum Filtern von flüssigen Medien oder Gasen durch Anlagerung der herauszufilternden Stoffe an der Strukturierungsschicht bzw. an dem geordneten Raster oder der geordneten, zweidimensionalen Übergitterstruktur.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert.
Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
1 eine Schnittdarstellung einer vorteil hafte Ausführungsform einer Anordnung gemäß der Erfindung,
2 eine perspektivische Darstellung der Anordnung nach 1 mit regelmäßiger Struktur,
3 eine Schnittdarstellung einer weiteren, abgewandelten Ausführungsform der Anordnung gemäß 1,
4 eine Draufsicht auf eine vorteilhafte Ausführungform einer Strukturierungsschicht der Anordnungen nach 1 und 3,
5 eine Draufsicht auf eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform einer Strukturierungsschicht der Anordnungen nach 1 und 3,
6 eine perspektivische Darstellung der Strukturierungsschicht nach 4 mit einem geordneten Raster.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 und 2 ist in stark vereinfachter Form eine vorteilhafte Ausführungsform einer Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt. Auf einem Trägersubstrat 11 aus einer ersten Substanz 19 ist eine Strukturierungsschicht 12 aus einer zweiten Substanz 20 aufgewachsen, die ein Strukturierungsgitter 15 mit Aufnahmeplätzen 13 in einer regelmäßigen Anordnung bildet. Die Aufnahmeplätze 13 sind im vorliegenden Fall als Zwischenräume bzw. Hohlräume 16 im Strukturierungsgitter 15 ausgebildet. Die Hohlenräumen 16 werden mit Materiebausteinen 14, insbesondere Atome, Moleküle, Molekülkomplexe, Atomcluster oder Molekülcluster, einer dritten, zu den ersten und zweiten Substanz 19, 20 verschiedenen Substanz 21 besetzt und ein geordnetes Raster 17 bzw. eine Übergitterstruktur 17 aus Materiebausteinen 14 ausgebildet. Die Strukturierungsschicht 12 und das geordnete Raster 17 bzw. die Übergitterstruktur 17 bilden sich durch Selbstorganisation der Moleküle auf der jeweils darunter liegenden Schicht, die wiederum durch die vorangehend aufgeführten bekannten Verfahren induziert werden kann.
Durch die Ausbildung eines solche Rasters bzw. Übergitters 17 aus Materiebausteinen 14 können der Anordnung spezielle physikalische oder chemische Eigenschaften verliehen werden. Zudem können durch die im Raster 17 angeordneten Materiebausteine 14 die Eigenschaften der Strukturierungsschicht selbst verändert werden, beispielsweise deren räumliche Ausrichtung und damit verbunden Eigenschaften. Hierfür kann beispielweise eine geordnete Platzierung einzelner Materiebausteine 14 in einem relativ großen Abstand zueinander ausreichend sein.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, dass nahezu alle Hohlräume 13 mit Materiebausteinen 14 besetzt und die Abstände der Materiebausteine 14 im Wesentlichen gleich groß und möglichst gering sind, so dass die Materiebausteine 14 in chemische oder physikalische Wechselwirkung treten können. Je nach Größe und Raumgeometrie der dritten Substanz 21 können sich zwischen den Materiebausteinen 14 darüber hinaus kovalente oder nicht-kovalente Bindungen ausbilden, wodurch eine zusammenhängende Übergitterstruktur erzeugt wird.
3 zeigt schematisch eine weitere, abgewandelte Ausführungsform der Anordnung nach 1 zur Erzeugung einer dreidimensionalen Gitterstruktur. Analog zu 1 und 2 ist auf das Trägersubstrat 11 eine Strukturierungsschicht 12 aufgewachsen, die in regelmäßiger Anordnung Hohlräume 16 mit in diesen aufgenommenen Materiebausteinen 14 der dritten Substanz 21 aufweist. Dadurch wird ein geordnetes Raster 17 aus Materiebausteinen 14, entsprechend dem in 2 erzeugt. Dieses geordnete Raster 17 dient als Grundstruktur für das Aufwachsen einer dreidimensionalen Gitterstruktur 18. Hierzu werden Materiebausteine 14 einer vierten Substanz 22 auf das geordnete Raster 17 aufgebracht, die sich an die Materiebausteine 14 des geordneten Rasters 17 und/oder an die Strukturierungsschicht 12 anlagern und entsprechend räumlich ausrichten. Anstatt der vierten Substanz 22 können auch Materiebausteine 12 der dritten Substanz 21 zur Erzeugung einer dreidimensionalen Gitterstruktur 18 aufgebracht werden, so dass eine größere Schichtdicke und/oder ein Raumgitter der dritten Substanz 21 erzeugt werden kann. Des Weiteren ist es möglich zur Erzeugung einer Sandwich-Struktur Materiebausteine 14 der zweiten oder der ersten Substanz 20, 19 zu einer dreidimensionalen Gitterstruktur 18 aufwachsen zu lassen.
Das entstehende dreidimensionale Gitter 18 ist in seiner Struktur in der Regel der Struktur des geordneten Rasters 17 bzw. des Strukturierungsgitters 15 angepasst, das bedeutet, die Materiebausteine 14 sind gleich beabstandet wie die der darunter liegenden Schicht und/oder in gleicher Weise räumlich ausgerichtet.
Die dreidimensionale Gitterstruktur kann in gleicher Weise erzeugt werden wie das geordnete Raster 17. Es wird vorzugsweise nacheinander das Aufwachsen mehrerer Monoschichten der Materiebausteine 14 herbeigeführt. Die Materiebausteine 14 der jeweiligen Monoschicht weisen dann im Wesentlichen den gleichen Abstand und die gleiche räumliche Ausrichtung auf. Auf diese Weise entsteht ein geordnetes Raumgitter bzw. ein Kristallgitter oder ein kristallähnliches Gitter aus den Materiebausteinen 14 der jeweiligen, wenigstens einen Substanz 21, 22, 19, 20. Das geordnete Raster 17 kann darüber hinaus auch als Startstruktur in weiteren, bekannten Kristallisationsverfahren eingesetzt werden.
In 4 und 5 sind jeweils vorteilhafte Ausführungsformen für eine Strukturierungsschicht dargestellt. Die Strukturierungsschicht 12 wird vorzugsweise auf einem Trägersubstrat 11 aus Graphit (erste Subtanz) 19 gebildet und besteht aus 1,3,5-Benzoltricarboxylsäure-(TMA)-Molekülen (zweite Substanz) 20. Die TMA-Moleküle sind flache, im Wesentlichen dreieckförmige Moleküle aus einem Benzolring (C₆) und drei symmetrisch (1-, 3- und 5-Position) an diesem angeordneten Carboxylgruppen(-COOH), die alle in einer Ebene liegen. Die TMA-Moleküle können sich über Wasserstoffbrückenbindungen 23 zwischen den Carboxylgruppen zu supramolekularen Strukturen mit einem geordneten Strukturierungsgitter 15 zusammenlagern.
Das Strukturierungsgitter 15 nach 4 weist eine sogenannte „Wabenstruktur” bzw. „Hühnerdrahtstruktur” auf, die auf einem Sechsring 24 aus TMA-Molekülen, der über Wasserstoffbrückenbindungen 23 stabilisiert wird, basiert. Mehrere der TMA-Sechsringe 24 lagern sich dann zu der „Wabenstruktur” zusammen. Die Hohlräume 16 im Innern der TMA-Sechsringe 24 können als Aufnahmeplätze 13 für Materiebausteine 14 einer dritten Substanz 21 dienen. Die durch den TMA-Sechsring 24 gebildeten Hohlräume 16 weisen einen Durchmesser von etwa 15 Å auf. Alle Wasserstoffbrückenbindungen 23 zwischen den TMA-Molekülen besitzen eine Bindungslänge von etwa 2,92 ± 0,2 Å. Die Dichte der Molekülpackung beträgt ca. 0,007 Moleküle/Å². Die Gitterkonstanten a und b betragen jeweils 17,2 ± 1 Å und der Gitterwinkel γ beträgt 60°.
Das Strukturierungsgitter 15 nach 5 weist eine sogenannte „Blumenstruktur” auf. Neben dem TMA-Sechsring 24 liegen hier zusätzlich Ringe 25 aus drei über Wasserstoffbrücken 23 verbundenen TMA-Molekülen vor. Diese TMA-Dreierringe 25 schließen sich jeweils direkt an einen TMA-Sechsring 24 an und bilden die Verbindung zum nächsten TMA-Sechsring 24. Auf diese Weise entsteht ein blumenförmiges Strukturierungsgitter 15, das zwei verschieden große Hohlräume 16 zur Aufnahme von Materiebausteinen 14, 21 aufweist. Die durch die TMA-Sechsringe 24 gebildeten Hohlräume 16 besitzen wiederum einen Durchmesser von etwa 15 Å, die kleineren, durch die TMA-Dreieringe 25 definierten Hohlräume 16 von etwa 7,5 Å. Bei der „Blumenstruktur” weisen alle Wasserstoffbrückenbindungen 23 eine Bindungslänge von etwa 2,96 ± 0,2 Å auf. Die Dichte der Molekülpackung beträgt ca. 0,03 Moleküle/Å². Die Gitterkonstanten a beträgt etwa 27,0 ± 1 Å und der Gitterwinkel γ beträgt 60°. Beide Strukturierungsgitter 15, die „Wabenstruktur” und die „Blumenstruktur” sind von 25 K bis etwa Raumtemperatur stabil.
Die Strukturierungsgitter 15 nach 4 und 5 können mittels organischer Molekularstrahlepitaxie (OMBE) erzeugt werden. Hierzu kann beispielweise ein Knudsen-Effusionszelle mit wassergekühltem Gehäuse und drei unabhängig ansprechbaren Tiegeln Verwendung finden. Vorzugsweise wird vor dem Aufbringen der Strukturierungsschicht 12 die Oberfläche des Trägersubstrats 11 gereinigt, beispielsweise durch Aufheizen auf Temperaturen um 500°C für mehrere Stunden. Danach wird das TMA in der Knudsen-Zelle verdampft und auf dem Trägersubstrat, das an der Austrittsfläche der Knudsen-Zelle, beispielsweise in einem Abstand von 40 nm, angeordnet wird, abgeschieden. Zusätzliches Erhitzen nach dem Verdampfen, beispielsweise für 15 min auf etwa 120°C, führt zu den hochgeordneten TMA-Monoschichten Die Schichtdicke des Adsorbats kann mittels thermischer Desorptionsspektroskopie (TDS) überwacht werden. Die Charakterisierung der Strukturierungsschicht 12 und die Überwachung des Abscheidungsprozesses kann mittels Elektronendiffraktometrie, insbesondere LEED (Low Energy Electron Diffraction), erfolgen. Das Strukturierungsgitter 15 kann darüber hinaus mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops (RTM) ermittelt werden.
Die Strukturierungsgitter 15 nach 4 und 5 lassen sich dann mit Materiebausteinen 14 einer dritten Substanz 21 besetzen. 6 zeigt ein Beispiel für eine mit einem Strukturierungsgitter 15 nach 4 erzeugte regelmäßige Struktur. Das wabenförmige Strukturierungsgitter 15 aus TMA-Molekülen 20 ist auf einem Graphit- oder Silber(Ag(111))-Trägersubstrat 11 aufgewachsen. Die durch die TMA-Moleküle 20 gebildeten Hohlräume 16, sind mit Materiebausteine 14 einer dritten Substanz 21 besetzt. Die Materiebausteine 14, 21 wurden so in des Strukturierungsgitter 15 eingesetzt, dass sich ein geordnetes Raster 17 ergibt. Als Materiebausteine 14 werden hier bevorzugt DNA-Basen oder Goldcluster verwendet.

11: Trägersubstrat
12: Strukturierungsschicht
13: Aufnahmeplätze
14: Materiebausteine
15: Strukturierungsgitter
16: Zwischenräume
17: geordnetes Raster/Übergitterstruktur
18: dreidimensionale Gitterstruktur
19: erste Substanz
20: zweite Substanz
21: dritte Substanz
22: vierte Substanz
23: Wasserstoffbrückenbindung
24: TMA-Sechsring
25: TMA-Dreierring
a, b: Gitterkonstanten
γ: Gitterwinkel

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer regelmäßigen Struktur aus Materiebausteinen, – bei dem das Aufwachsen einer Strukturierungsschicht (12) auf einem aus wenigstens einer ersten Substanz (19) bestehenden Trägersubstrat (11) herbeigeführt wird, – wobei die Strukturierungsschicht (12) aus wenigstens einer zweiten Substanz (20) auf dem Trägersubstrat (11) ein molekulares, vorzugsweise einlagiges Strukturierungsgitter (15) ausbildet, – bei dem durch das Strukturierungsgitter (15) definierte, regelmäßig angeordnete Aufnahmeplätze (13) zumindest teilweise mit Materiebausteinen (14), wenigstens einer dritten, zu der ersten und zweiten Substanz verschiedenen Substanz (21) besetzt werden und – bei dem aus den Materiebausteinen (14) der wenigstens einen dritten Substanz (21) wenigstens eines Teils der besetzten Aufnahmeplätze (13) ein geordnetes Raster (17) und/oder eine geordnete, zweidimensionale Übergitterstruktur (17) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufwachsen einer geordneten, dreidimensionalen Gitterstruktur (18) aus Materiebausteinen (14) wenigstens einer vierten, zumindest zu der dritten Substanz verschiedenen Substanz (22) auf dem geordneten Raster oder der geordneten, zweidimensionalen Übergitterstruktur herbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeplätze (13) durch das Strukturierungsgitter (15) definierte Zwischenräume (16) in einer regelmäßigen Anordnung sind, die mit Materiebausteinen (14) besetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Aufwachsen der Strukturierungsschicht (12) und/oder als Materiebausteine (14) Atome und/oder Moleküle und/oder Molekülkomplexe und/oder Atomcluster und/oder Molekülcluster verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Strukturierungsgitters (15) durch eine Art und/oder eine Dichte und/oder eine Lage der Aufnahmeplätze (13) und/oder eine Größe der Zwischenräume (16) und/oder ein Raumgitter bzw. eine räumliche Ausrichtung der wenigstens einen zweiten Substanz (20) des Strukturierungsgitters (15), durch die Temperatur und/oder durch die Art der wenigstens einen ersten Substanz (19) des Trägersubstrats (11) und/oder durch das Raumgitter bzw. die räumliche Ausrichtung der wenigstens einen ersten Substanz (19) des Trägersubstrats (11) und/oder durch die Art der wenigstens einen zweiten Substanz (20) in der Strukturierungsschicht (12) und/oder einer weiteren Substanz in der Strukturierungsschicht (12) eingestellt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für das Aufwachsen der geordneten, dreidimensionalen Gitterstruktur (18) die wenigstens eine erste Substanz (19) und/oder die wenigstens eine zweite Substanz (20) als wenigstens eine vierte Substanz (22) verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungsschicht (12) und/oder das geordnete Raster (17) und/oder die geordnete, zweidimensionale Übergitterstruktur (17) und/oder die geordnete, dreidimensionale Gittestruktur (18) durch induzieren einer Selbstorganisation der jeweiligen, wenigstens einen Substanz (19, 20, 21) erzeugt wird.
Verfahren nach einen oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungsschicht (12) und/oder das geordnete Raster (17) und/oder die geordnete, zweidimensionale Übergitterstruktur (17) und/oder die geordnete, dreidimensionale Gittestruktur (18) durch Aufdampfen der jeweiligen, wenigstens einen Substanz (19, 20, 21), und/oder durch Eintauchen des Trägersubstrats (11) oder der Strukturierungsschicht (12) oder des geordneten Rasters bzw. der Übergitterstruktur (17) in eine Lösung und/oder durch Aufbringen und Aufschließen von Materiebausteinen enthaltenden Mizellen und/oder durch Aufbringen durch Spritzen, insbesondere durch Spotting, induziert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufdampfen auf ein erhitztes Substrat (Sizzling) oder im Ultrahochvakuum, vorzugsweise mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) erfolgt.
Anordnung einer regelmäßigen Struktur aus Materiebausteinen, umfassend – ein Trägersubstrat (11) aus wenigstens einer ersten Substanz (19), – eine Strukturierungsschicht (12) aus wenigstens einer zweiten Substanz (20), die auf das Trägersubstrat (11) aufgewachsen ist und ein molekulares, vorzugsweise einlagiges Strukturierungsgitter (15) ausbildet, – wobei durch das Strukturierungsgitter (15) Aufnahmeplätze (13) in einer regelmäßigen Anordnung definiert sind, die zumindest teilweise mit Materiebausteinen (14), insbesondere Atomen oder Molekülen oder Molekülkomplexen oder Atom- bzw. Molekülclustern, wenigstens einer dritten, zu der ersten und zweiten Substanz verschiedenen Substanz (21) besetzbar sind – ein geordnetes Raster (17) und/oder ein geordnete zweidimensionale Übergitterstruktur (12) aus den Materiebausteinen (14) der wenigstens einen dritten Substanz (21) wenigstens eines Teils der besetzten Aufnahmeplätze (13) und – weiter eine geordnete dreidimensionale Gittestruktur (18) aus Materiebausteinen (14) wenigstens einer vierten, zumindest zu der dritten Substanz (21) verschiedenen Substanz (22), wobei die geordneten, dreidimensionalen Gitterstruktur auf an den Aufnahmeplätzen (13) aufgenommenen Materiebausteinen (14), insbesondere dem geordneten Raster (17) bzw. der geordneten, zweidimensionale Übergitterstruktur (17), aufwächst.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeplätze (13) durch das Strukturierungsgitter (15) definierte Zwischenräume (16), in einer regelmäßigen Anordnung umfassen.
Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das geordnete Raster (17) und/oder die geordnete, zweidimensionale Übergitterstruktur (14) an die Struktur des Strukturierungsgitters (15) angepasst ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des geordneten Rasters (17) und/oder der geordneten zweidimensionalen Übergitterstruktur (14) die Materiebausteine (14) gleich beabstandet oder in wenigstens eine Raumrichtung periodisch angeordnet und/oder ggf. in gleicher Weise räumlich ausgerichtet sind.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Gitterstruktur (18) an die Struktur des Strukturierungsgitters (15) und/oder des geordneten Rasters (17) und/oder der zweidimensionalen Übergitterstruktur (17) angepasst ist, insbesondere die Materiebausteine (14) gleich beabstandet oder in wenigstens eine Raumrichtung periodisch angeordnet und/oder ggf. in gleicher Weise räumlich ausgerichtet sind und/oder dass die dreidimensionale Gitterstruktur (18) aus der wenigstens einen zweiten Substanz (20) und/oder aus der wenigstens einen ersten Substanz (19) gebildet ist.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (11) wenigstens einen organischen und/oder wenigstens einen anorganischen Stoff, insbesondere ein Metall oder ein Halbmetall oder ein Halbleiter, vorzugsweise Gold oder Silber oder Kupfer, und/oder wenigstens eine organische oder anorganische Verbindung, insbesondere ein Glas oder ein Polymer oder eine Verbindung mit metallischen Eigenschaften, vorzugsweise Graphit, umfasst.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungsschicht (12) wenigstens ein Molekül und/oder ein Molekülkomplex und/oder ein Molekülcluster wenigstens einer organischen Verbindung, insbesondere mit einer Atomzahl von wenigstens 12, und/oder wenigstens einen anorganischen Stoff bzw. wenigstens eine anorganische Verbindung umfasst.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Materiebausteine (14) der wenigstens einen dritten Substanz (21) wenigstens ein Molekül und/oder wenigstens ein Molekülkomplex und/oder wenigstens ein Atomcluster und/oder wenigstens ein Molekülcluster oder Nanopartikel wenigstens eines organischen Stoffes und/oder wenigstens einer organischen Verbindung, insbesondere eine kohlenwasserstoffhaltige oder eine metallorganische Verbindung oder ein Lipid oder ein Protamin oder ein Protein oder ein Proteid oder ein Peptid oder eine Aminosäure, umfassen.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Materiebausteine (14) der wenigstens einen dritten Substanz (21) wenigstens eine biologisch aktive Verbindung, vorzugsweise ein Hämoglobin oder eine DNA-Base oder ein Virus oder ein Enzym oder eine moleklare Maschine, umfassen.
Anordnung nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Materiebausteine (14) der wenigstens einen dritten Substanz (21) wenigstens ein Fulleren, insbesondere eine C60-Verbindung oder eine C70-Verbindung, und/oder Kohlenstoffnanopartikel und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Materiebausteine (14) der wenigstens einen dritten Substanz (21) wenigstens ein Atom oder ein Atomcluster eines anorganischen Stoffs, insbesondere ein Metall, vorzugsweise ein Goldatom oder ein Goldcluster, oder ein Halbmetall oder ein Halbleiter, oder wenigstens ein Molekül oder ein Molekülkomplex oder ein Molekülcluster einer anorganischen Verbindung umfassen.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die aus Materiebausteinen (14) der dritten Substanz (21) gebildete geordnete Raster (17) bzw. zweidimensionale Übergitterstruktur (17) zur Erzeugung einer kohärenten elektromagnetischen Schwin gung angeregt werden kann.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Materiebausteine (14) der dritten Substanz (21) in dem geordneten Raster (17) und/oder in der geordneten, zweidimensionalen Übergitterstruktur (17) durch Einwirken einer äußeren Kraft, insbesondere einer Druckkraft oder eines Potentials oder akustischen Wellen oder elektromagnetischer Strahlung, einzeln oder in Gruppen von den Aufnahmeplätzen (13) weg und/oder zwischen einzelnen Aufnahmeplätzen (13) hin und her mechanisch bewegbar sind.
Verwendung der Anordnung oder der mittels der Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 21, insbesondere unter Verwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, erzeugten regelmäßigen Struktur, als Informationsspeicher oder als Lasermaterial oder als Katalysator oder als Elektrode oder als Sensoreinheit oder als molekularer Schalter oder als Startstruktur zur Züchtung von Kristallen oder als industriell einsetzbare Partikel, insbesondere Puder oder Flakes, vorzugsweise als Filtermaterial.