Polymer-Graphen-Doppel­schicht: Elektronen­blitze erhellen Molekül­dynamik

  • 11. July 2014

Ultraschnelle Dynamik an Oberflächen auf der atomaren Skala mit Elektronen-Beugung in Transmission beobachtbar.

In der mikroskopischen Welt von Atomen und Molekülen läuft vieles im Bereich von Femtosekunden und Pikosekunden ab, also Billiardsteln und Billionsteln einer Sekunde. Um einen direkten Blick auf die Dynamik im Mikrokosmos werfen zu können, nutzen Forscher extrem kurze Röntgen- oder Elektronenblitze. So lassen sich schnelle Bewegungen von Atomen und Molekülen in einem Moment festhalten und feinste Unterschiede in der Anordnung und Orientierung atomarer Strukturen sichtbar machen. Physiker und Chemiker der Universität Göttingen haben unter Beteiligung von Forschern des Göttinger Max-Planck-Instituts (MPI) für biophysikalische Chemie ein neues Verfahren entwickelt, die Dynamik einzelner atomarer und molekularer Lagen zu untersuchen.

Polymerstränge auf einer wabenförmigen Graphenstruktur

Abb.: So in etwa lassen sich die verwendeten Polymerstränge auf einer wabenförmigen Graphenstruktur vorstellen. (Bild: GAU)

Die Arbeitsgruppe von Claus Ropers und Sascha Schäfer von der Fakultät für Physik der GAU hat die neue Technik entwickelt, die auf der Beugung ultrakurzer Elektronenblitze an Oberflächen und dünnen Filmen basiert. „Das Besondere an unseren Experimenten ist, dass wir ultrakurze Elektronenpulse bei vergleichsweise niedriger Energie erzeugen konnten. Damit können wir Schichten analysieren, die nicht dicker als ein einziges Molekül sind“, erklärt Max Gulde. „Außerdem haben Elektronen mit niedriger Energie den Vorteil, dass man mit ihnen auch weiche organische Materialien untersuchen kann, ohne sie allzu schnell zu zerstören.“

Die ultrakurzen Elektronenpulse für die Untersuchung molekularer Filme werden mit Laserlicht am Ende einer nanoskopisch kleinen Metallspitze erzeugt. (Bild: GAU)

Abb.: Die ultrakurzen Elektronenpulse für die Untersuchung molekularer Filme werden mit Laserlicht am Ende einer nanoskopisch kleinen Metallspitze erzeugt. (Bild: GAU)

Die erste mit der neuen Technik analysierte Probe besteht aus einer Polymer-Graphen-Doppelschicht, die sie in enger Zusammenarbeit mit Alec Wodtke und Hak-Ki Yu vom MPI für biophysikalische Chemie hergestellt hatten. Die nachträglich auf das Graphen aufgebrachte Polymerschicht hat sich in einer Art Streifenmuster auf das Graphen gelegt. Die Forscher haben die strukturelle Reaktion des Polymers beobachtet, nachdem die Doppelschicht mit einem kurzen Energiepuls angeregt wurde. Insbesondere konnte hierbei quantitativ abgebildet werden, wie schnell durch den Energieübertrag vom Graphen auf das Polymer die Ordnung des molekularen Films verlorengeht und nach Abkühlen wieder entsteht.

„Hybridstrukturen auf der Basis von Graphen sind besonders interessant für zukünftige Anwendungen zum Beispiel in der Nanoelektronik, da mit ihnen eine ganz neue Variabilität der Materialeigenschaften erreicht werden kann. Die Beobachtung der Ultrakurzzeitdynamik in solchen Systemen gibt uns die Möglichkeit, Kopplungen und Energietransferprozesse auf atomarer Skala zu untersuchen“, erläutert Ropers. Das Verfahren ist auf viele andere Probleme in der Oberflächenphysik anwendbar. „Die Ergebnisse sind das Resultat der produktiven Kooperation sowohl zwischen der Universität und dem MPI als auch zwischen der Fakultäten für Physik und Chemie“, sagt Wodtke, der mit einer Alexander von Humboldt-Professur an der Fakultät für Chemie unter anderem neue Herstellungstechniken hochqualitativen Graphens erforscht. „Um gemeinsam genau solchen Fragestellungen nachzugehen, haben wir in einer etwa dreißigköpfigen Gruppe von Wissenschaftlern vor kurzem einen neuen Sonderforschungsbereich auf den Weg gebracht.“

GAU / OD

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