X-ray and neutron scattering study of organic-organic heterolayers for organic electronics and biointerfaces [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Martin Huth

Martin Huth

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• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
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Extrait

X-ray and neutron scattering study
of organic-organic heterolayers
for organic electronics and biointerfaces
Martin Huth
Munchen 2010X-ray and neutron scattering study
of organic-organic heterolayers
for organic electronics and biointerfaces
Martin Huth
Dissertation
an der Fakult at fur Physik
der Ludwig{Maximilians{Universit at
Munc hen
vorgelegt von
Martin Huth
aus Munc hen
Munc hen, den 28.10.2010Erstgutachter: PD. Dr. B.Nickel
Zweitgutachter: Prof. Dr. W.W.Schmahl
Tag der mundlic hen Prufung: 23.12.2010Contents
Contents v
Zusammenfassung vii
Summary viii
1 Introduction and Motivation 1
2 Anisotropic Aggregation of Molecules on Surfaces 5
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Basics of van der Waals Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Analysis of Di erent Growth Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Long, Thin Molecules (Alkanes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Simulation of Pentacene Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6 Molecule - Molecule Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Growth of Pentacene Thin Films on Technically Relevant Surfaces 31
3.1 Experimental { Organic Molecular Beam Epitaxy . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Pentacene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Pen on Gate Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Pentacene on Modi ed Diamond Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 Organic-organic Bilayer for Encapsulation 47
4.1 Spincoating of Thermoplasts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Sputter Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Vacuum Deposition of Alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5 Lipid Membranes on hydrophobic surfaces 61
5.1 Membrane on Pentacene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2 Membrane on an Alkane Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6 An Arti cial Biomimetic Binding Surface 69
6.1 Trilayer Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.2 Cell Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77vi Zusammenfassung
6.3 Preparation Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7 Conclusions and Outlook 81
Bibliography 85
A Publications 95
A.1 Full text of Ref. [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
A.2 Full text of Ref. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
A.3 Full text of Ref. [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.4 Full text of Ref. [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
A.5 Full text of Ref. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
A.6 Full text of Ref. [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
A.7 Full text of Ref. [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
B Performing Re ectometry Experiments 153
B.1 Preparing the sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
B.2 Mounting the . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
B.3 Possible errors during alignment/measurement . . . . . . . . . . . . . . . . 155
C MATLAB custom tools 163
C.1 Unit Cell Solver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
C.2 File Merger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
D Photos 171
List of Figures 177
List of Tables 181
Acknowledgements 183Zusammenfassung
Die biologische und medizinische Forschung stellt immer mehr Informationen uber die
Funktion des Lebens bereit. Dem voraus geht eine hochpr azise und spezi sche Diagnostik.
Allerdings gibt es noch keine ub erzeugenden L osungen fur die Lebend- Uberwachung von
Substanzen, die m oglicherweise an Demenzkrankheiten oder Alterserscheinungen beteiligt
sind. Die vorliegende Arbeit besch aftigt sich mit Grundlagenforschung zur Entwicklung
eines Sensors, der in der Lage ist, Anderungen des elektrischen Potentials, z.B. neuronale
Aktivit at, in biologisch relevanter Umgebung zu detektieren.
In dem hier behandelten Ansatz wird eine Sensor ache eingesetzt, welche vollst andig aus
organischen Materialien aufgebaut ist. Die e ektive Schnittstelle zwischen dem Sensor und
den Zellen ist eine kunstlic he Zellmembran, die mit einer Bindungseinheit ausgestattet ist,
deren Aufbau dem Vorbild der Natur nachempfunden ist. Der Sensor selbst ist ein organ-
ischer Dunnsc hichttransistor, der seine Sensitivit at aus den elektronischen Eigenschaften
des organischen Halbleiters erh alt. Zudem hat die aktive Schicht eine Dicke von nur 50nm.
Entscheidend im Umgang mit organischen Molekulen ist die enge Beziehung zwischen
Struktur und Funktion. Die starke Anisotropie der Struktur spiegelt sich in den elek-
tronischen Eigenschaften wider. Die molekulare Anordnung wiederum h angt sensibel von
den verwendeten Prozessparametern bei der Herstellung der Schichten ab. Wichtig sind
z.B. die Rate, die Temperatur oder die physikalischen Eigenschaften der Ober ache (po-
lar, nicht-polar, rau etc.). Die so gewonnenen organischen Multischichtsysteme wurden
mit Hilfe von R ontgen- und Neutronenstreuung an Gro ger aten (Synchrotron, Reaktor)
charakterisiert.
Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist das Au nden und Beein ussen der Struk-
tur der verwendeten Materialien auf molekularer Ebene. Zun achst werden Konzepte und
Aggregationsmechanismen von Molekulen auf Ober achen vorgestellt. Der experimentelle
Teil widmet sich der Herstellung der organischen Halbleiterschicht aus Pentacen (C H )22 14
auf unterschiedlichen Ober achen. Durch chemische Modi kation von Diamantober achen
konnten Pentacen-Filme kontrolliert in stehender oder liegender Phase gewachsen werden.
Ferner wurde die Verkapselung organischer Filme mit verschiedensten Techniken und Mate-
rialien untersucht. Die Verwendung der Vakuumsublimations-Technik erm oglichte die Kon-
servierung der "Dunn lmphase" von Pentacen durch Verkapseln mit dem Alkan Tetrate-viii Zusammenfassung
tracontan (TTC, C H ). Somit konnte der stabile Betrieb eines organischen Transistors44 90
in ionischer w asseriger Umgebung erm oglicht werden, was den entscheidenden Schritt in
Richtung Sensorik darstellt.
Des Weiteren gelang der Aufbau einer vielseitig funktionalen Beschichtung, welche von
Zellen als ihre naturlic he Umgebung akzeptiert wird. Basierend auf substratgestutzten
Lipid-Doppelschichten wurde mit Hilfe der Biotinbindung ein synthetischer Peptid-Komplex
ub er eine Protein-Zwischenschicht an die Ober ache gebunden. Dieser Komplex enth alt
mehrfach die RGD Sequenz, eine Aminos aure-Sequenz, die fur die Bindung von Pro-
teinen an ihre Zellrezeptoren verantwortlich ist. Die Struktur der Beschichtung wurde
mit R ontgen- und Neutronenbeugung mit einer Au osung von 5 A bestimmt. Es zeigt sich
eine mehrlagige Schichtung beginnend mit einer 36A Lipidmembran, daruber eine stark
hydrierte Zwischenschicht (26A), gefolgt von einer 38A dicken Streptavidinschicht und ab-
schlie end eine 30 A Schicht aus dicht gepackten, seitlich liegenden Bindungskomplexen.
Neuronale Stammzellen wurden auf dieser Beschichtung kultiviert und zeigten rasche An-
lagerung sowie eine Ausbreitung auf der angebotenen Ober ache.
Die Kompatibilit at der Beschichtung mit dem verkapselten Transistor wurde durch das
Ausbilden einer Lipidschicht auf der Sensorober ache best atigt. In Zukunft sollen die
M oglichkeiten mit dieser Anordnung Anderungen des elektrischen Potentials zu messen
erforscht werden. Dazu detektiert man zun achst Referenzsignale die im Elektrolyten ub er
eine Platin- oder eine Ag/AgCl-Elektrode angelegt werden. Aufgrund der vielf altigen
Ober achen die sich mit Lipidmembranen beschichten lassen, ist diese Methode auch fur
die Gewebeentwicklung oder als Implantatsbeschichtung interessant.Summary
Biological and medical research provides more and more information about the functioning
of life. The basis therefor are high accurate and speci c diagnostics. However, no satisfying
solution has been found for the in vivo monitoring of substances, being possibly involved
in dementia or old-age diseases. The presented work deals with fundamental research to
develop an all-organic sensor device capable of detecting changes of the electrical potential,
e.g. neural activity, in a biologically relevant environment.
In this approach the active area of the sensor is built from organic materials only. The
e ective interface between the sensor and the cells is an arti cial cell membrane decorated
with a synthetic binding unit, which has been constructed adopting the methods found in
nature. The sensor itself is an organic thin lm transistor (OTFT), obtaining its sensitivity
from the properties of the organic semiconductor and from having an active layer with a
thickness of only 50nm.
The crucial issue when working with organic molecules is the strong relation between the
structure and the function. The strong anisotropy of the structure is also found in the
electronic properties. On the other hand the structure is highly in uenc