Sebastian Schneider
Forschung: Elektrochemische Charakterisierung von organischen Materialien zur Oberflächenfunktionalisierung und Optimierung miniaturisierter Mikrosensorvorrichtungen
Zur Analyse von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen werden elektrochemische Untersuchungen (LSV, CV, EIS) an organischen Molekülen in Lösung und an Adsorbaten auf Elektrodenoberflächen durchgeführt. So können z. B. Redox-Verhalten, Grenzorbitale, Bedeckungsgrad, Ladungsdichte, Schichtkapazitäten/-widerstände sowie Stabilität bzw. Reaktionsverhalten untersucht werden[1-5]. Die bestimmten Parameter sind zur Charakterisierung dünner Schichten potentieller, organischer Halbleiter-Materialien sowie SAMs mit außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften von großem Interesse, vgl. Abb. 1. Die Mess-Einrichtung wird zudem stetig erweitert und optimiert.
Abbildung 1 – Links: Kalkulierte und experimentell erhaltene Werte für die Grenzorbitale von 4,4‘-Bis(1-naphthyl-phenylamino)-biphenyl (NPB), entnommen und modifiziert aus [1]; Rechts: Cyclovoltammogramm von NPB in 0.1 M TBAHFP, 100 mV/s.
Zur kombinatorischen Analyse von Katalysatorsystemen wurde durch K. Raiber[6,7], H. Thomas[8,9] und R. Heide[10] ein CV-Sensor-Array mit 32 Sensoren entwickelt, gezeigt in Abb.2b und 2c. Das Sensor-Array wird im Arbeitskreis Terfort nach dem von Whitesides et al.[11,12] entwickelten µCP-Verfahren hergestellt wie schematisch in Abb. 2a gezeigt.
Abbildung 2 – a) Schematischer Ablauf des softlithographischen Micro-Contact-Printing-Prozesses zur Herstellung von CV-Sensor-Arrays; b) Skizze einer einzelnen Messzelle[7]; c) Abbildungsausschnitt eines hergestellten Sensor-Arrays.
Mittels Photolithographie wird ein Negativ-Master erstellt, dessen strukturiertes Muster durch Abguss eines Poly(dimethylsiloxan)-Stempels auf diesen übertragen wird. Der ausgehärtete Stempel wird dann verwendet, um eine SAM-Schicht mit der lateralen Mikrostruktur auf einem Goldsubstrat zu erzeugen. Anschließend wird die ungeschützte Fläche an Gold auf dem verwendeten Substrat durch nasschemisches Ätzen entfernt. Nach dem Freilegen der Goldstruktur, kann diese (elektrochemisch) funktionalisiert werden – beispielsweise durch das Abscheiden relevanter Metalle oder poröser Materialien. In diesem Zusammenhang wurden von H. Thomas et al.[13] neuartige Dünnfilm-Referenzelektroden für CV-Sensoren entwickelt.
Das Fabrikationsverfahren ist anfällig für diverse Fehler (Whiskersbildung bei der Metallabscheidung, Staub, usw.), daher liegt ein weiterer Schwerpunkt meiner Arbeit in der Optimierung des Sensordesigns, der Weiterentwicklung der Elektroden und der entsprechenden Anpassung des Herstellprozesses.
[1] H. Gao: Theoretical investigation into chargo mobility in 4,4’-bis(1-naphthylphenylamino)biphenyl, In: Theo. Chem. Acc., 127 (2010), Nr. 5-6, S. 759-763.
[2] M. I. Muglali, A. Bashir, A. Terfort, M. Rohwerder: Electrochemical investigations on stability and protonation behavior of pyridine-terminated aromatic self-assembled monolayers, In: Phys. Chem. Chem. Phys., 13 (2011), S. 15530-15538.
[3] F. Caprioli, F. Decker: A new simple method to heal defects and to improve electrode passivity of aromatic SAMs on gold, In: J. Electroanal. Chem., 708 (2013), S. 68-72.
[4] C. Medárd, M. Morin: Chemisorption of aromatic thioles onto glassy carbon surface, In: J. Electroanal. Chem., 632 (2009), S. 120-126.
[5] J. Scharf, H.-H. Strehblow, B. Zeysing, A. Terfort: Electrochemical and surface analytical studies of self-assembled monolayers of three aromatic thiols on gold electrodes, In: J. Solid State Electrochem., 5 (2001), Nr. 6, S. 39-401.
[6] K. Raiber: Herstellung eines Sensor-Arrays für die kombinatorische Katalyseforschung, Diplomarbeit, Universität Hamburg, Hamburg, 2001.
[7] K. Raiber: Herstellung von Mikrosensoren durch Softlithographie unter Verwendung organischer Monoschichten, Dissertation, Universität Hamburg, Hamburg, 2005.
[8] H. Thomas: Kombinatorische Sensorarrays zur Optimierung von Oxidationskatalysatoren auf Polyoxometallat-Basis, Diplomarbeit, Universität Hamburg, Hamburg, 2005.
[9] H. Thomas: Softlithographische Methoden und deren Anwendung in der Katalysatorforschung und Mikrosystemtechnik, Dissertation, Universität Hamburg, Hamburg, 2009.
[10] R. Heide: Mikrosensorarrays zur kombinatorischen Optimierung von Katalysatoren auf N,N‘-Bis(salicyliden)-1,2-ethylendiaminocobalt(II)-Basis für die Oxidation von Aromaten zu chinoiden Systemen, Diplomarbeit, Philipps-Universität Marburg, Marburg, 2010.
[11] A. Kumar, G.M. Whitesides: Features of gold having micrometer to centimeter dimensions can be formed through a combination of stamping with an elastomeric stamp and an alkanethiol “ink” followed by chemical etching, In: Appl. Phys. Lett., 63 (1993), S. 2002-2004.
[12] A. Kumar, H. A. Biebuyck, G.M. Whitesides: Patterning Self-Assembled Monolayers: Applications in Materials Science, In: Langmuir, 10 (1994), S. 1498-1511.
[13] H. Thomas, R. Heide, A. Terfort: Thin film reference electrodes for aqueous and organic media, In: Sensors and Actuators B, 171-172 (2012), S. 155-164.
Lehre: Praktikum Moderne elektrochemische Analytik
Das laborpraktische Wahlpflicht-Modul "Moderne elektrochemische Analytik" ist eine Veranstaltung für Studierende des Master-Studienganges Chemie. Es wird jeweils im Wintersemester und Sommersemester angeboten. Das Praktikum dauert 2 Wochen und das Modul hat einen Umfang von 5 SWS (5 CP). Modulverantwortlicher ist Prof. Dr. A. Terfort. Stellvertretender Praktikumsleiter ist Herr Sebastian Schneider (N160/1, Tel: 069/798-29186, E-Mail: sebastian.schneider@stud.uni-frankfurt.de).
Zugangsvoraussetzungen für die Teilnahme am Praktikum sind:
- bestandene Klausur „Analytische Methoden“ oder äquivalente Leistung
Inhalte des Praktikums:
- Elektrochemische Untersuchung der Phasengrenze „Metall / Lösung“
- Cyclovoltammetrie und verwandte elektrochemische Methoden
- Grundlagen der Impedanzspektroskopie
Das Modul "Moderne elektrochemische Analytik" wird abgeschlossen durch die erfolgreiche Teilnahme am Praktikum (dokumentiert durch einen akzeptierten Praktikumsbericht) sowie durch die Bewertung eines Kurzvortrages.
Sebastian Schneider