Development of nanoscaled chemical systems for enabling atomically resolved reaction dynamics of model systems

Abstract

In this thesis, the author focuses on the fabrication and full characterization of small model systems including organometallic, photochromic and biological analogues to demonstrate their compatibility with femtosecond electron diffraction (FED) techniques, with the ultimate goal of providing a general means to systematically study molecular dynamics at the atomic level. Achieving this objective will allow the direct observation of atomic motions, thus shedding light on the fundamental processes of chemistry and physics at atomic length- and timescales. To fully characterize these nanoscale thin molecular layers, electron microscopy, electron diffraction, spectroscopy, and various surface analysis techniques were used. Metal–organic frameworks (MOFs), and surface-mounted metal–organic frameworks (SURMOFs), were fabricated using the Langmuir- Blodgett (LB) technique. Atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM) techniques were implemented to characterize the monolayers formed on solid surfaces in terms of their crystallinity and thickness. As part of these studies, the author provided for the first time TEM diffraction patterns and AFM images on a LB-SURMOF. Furthermore, the photochromism of a new amphiphilic dithienylethene (DTE) concept was studied, with AFM and TEM studies proving that reversible morphological changes occur in these layers subject to ultraviolet (UV) and visible light excitation. Finally, the performance of several techniques including ‘knife-edge’ crystallization, spin coating, ultramicrotomy, and Langmuir–Blodgett/Schaefer, were compared for the fabrication of atomically thin vitamin B12 films. In this work, considerable advancements in the fabrication and characterization of different types of thin organic films have been achieved, paving the way for future structural dynamics investigations by the FED technique.

In dieser Arbeit konzentriert sich der Autor auf die Herstellung und vollständige Charakterisierung kleiner Modellsysteme einschließlich organometallischer, photochromer und biologischer Analoga, um deren Kompatibilität mit Femtosekunden-Elektronenbeugungstechniken (FED) zu demonstrieren, und somit allgemeine Methoden zur systematischen Untersuchung molekularer Strukturdynamik bereitzustellen. Das Erreichen dieses Ziels ermöglicht die direkte Beobachtung atomarer Bewegungen, wodurch die grundlegenden Prozesse der Chemie und Physik in atomaren Längen- und Zeitskalen beleuchtet werden. Um diese nanoskaligen dünnen Molekülschichten vollständig zu charakterisieren, wurden Elektronenmikroskopie, Elektronenbeugung, Spektroskopie und verschiedene Oberflächenanalysetechniken verwendet. Metall-organische Gerüste (MOFs) und oberflächenmontierte Metall-organische Gerüste (SURMOFs) wurden unter Verwendung der Langmuir-Blodgett (LB) -Technik hergestellt. Durch Atomkraftmikroskopie (AFM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wurden die auf Festkörperoberflächen gebildeten Monoschichten hinsichtlich ihrer Kristallinität und Dicke charakterisiert. Im Rahmen dieser Untersuchungen stellte der Autor erstmals TEM-Beugungsmuster und AFM-Bilder eines LB-SURMOF zur Verfügung. Darüber hinaus wurde der Photochromismus eines neuen amphiphilen Dithienylethen (DTE) -Konzepts untersucht. AFM- und TEM-Studien belegen, dass reversible morphologische Veränderungen in diesen Schichten auftreten, die einer Anregung mit ultraviolettem (UV) und sichtbarem Licht unterliegen. Schließlich wurde die Leistungsfähigkeit verschiedener Techniken einschließlich der „Messerschneide“ -Kristallisation, des Spincoating, der Ultramikrotomie und von der Langmuir-Blodgett / Schaefer -Methode für die Herstellung atomar dünner Vitamin-B12-Filme verglichen. In dieser Arbeit wurden erhebliche Fortschritte bei der Herstellung und Charakterisierung verschiedener Arten organischer Dünnschichten erzielt, die den Weg für zukünftige strukturdynamische Untersuchungen mit der FED-Technik ebnen.