Eine Methode zur Herstellung von ultraglatten SAM-geschützten Goldoberflächen durch “Amphiphilspaltung”†

Selbstorganisierte Monolagen (SAMs, self-assembled monolayers) haben in den letzten Jahren besonderes wissenschaftliches Interesse gefunden und breite Anwendungsgebiete wie die Biosensorik, Nanomaterialien, molekulare Schalter usw. erschlossen. Der Erfolg dieser Anwendungen h*ngt in den meisten F*llen entscheidend von den Grenzfl*cheneigenschaften der SAM ab. Diese Eigenschaften, z.B. das Benetzungsund Adh*sionsverhalten, resultieren direkt aus den Eigenschaften der funktionellen Gruppen an der SAM-Luft-Grenzfl*che. Es ist bekannt, dass eine glattere Substratoberfl*che in einer besser definierten und dichter gepackten SAM-Oberfl*che resultiert. Ein signifikanter Nachteil von polykristallinen Metalloberfl*chen ist, dass g*ngige Methoden zur Charakterisierung d3nner Filme, z.B. Rastertunnelund Rastersondenmikroskopie, keine interpretierbaren Abbildungen der SAMStruktur liefern, da die molekulare Struktur der SAMs von der Topographie des Substrats (zumeist Gold) 3berlagert wird. Atomar glatte Metalloberfl*chen (insbesondere von Gold und Silber), die sich 3ber eine Fl*che von einigen Mikrometern erstrecken, sind daher eine Voraussetzung f3r den Erfolg dieser Mikroskopietechniken sowie f3r den Aufbau von masgeschneiderten Architekturen. SAMs sind hervorragend dazu geeignet, Kontaminationen zu eliminieren oder zu kontrollieren, wobei SAMs selbst bekanntlich nicht stabil sind und Oberfl*chendefekte verursachen k9nnen, die wiederum als potenzielle Verschmutzungskeime wirken. Lee et al. berichteten 3ber den Einfluss der Oberfl*chentopographie auf die Stabilit*t von Alkanthiol-SAMs. Sie konnten zeigen, dass SAMs auf Oberfl*chen mit hoher Korngrenzendichte in Stunden bis Tagen zu den entsprechenden Sulfinaten und Sulfonaten oxidiert wurden, w*hrend auf Oberfl*chen mit geringer Korngrenzendichte selbst nach zwei Wochen keinerlei Oxidation nachzuweisen war. Es existiert eine Reihe von Methoden zur Erzeugung von d3nnen Goldfilmen, wobei die Qualit*t der erhaltenen Goldoberfl*che unter anderem von den Temperungsbedingungen, der Verdampfungsgeschwindigkeit und dem Substrattyp abh*ngt. Zum Beispiel k9nnen wohldefinierte ultraflache Goldund Silberoberfl*chen, bestehend aus h111i-orientierten Kristallen, unter Verwendung eines Glimmertemplats erhalten werden. Trotz der Tatsache, dass diese Metalloberfl*chen aus Dom*nen mit einer Oberfl*chenrauigkeit auf atomarer Skala aufgebaut sind, ist der gesamte Film rau, da die einzelnen Dom*nen klein sind. Eine Methode zur Verringerung der Gesamtoberfl*chenrauigkeit ist das „template stripping“ (TS). Hierbei wird das GoldGlimmer-Assoziat mit der Goldoberfl*che auf ein Siliciumoder Glassubstrat geklebt und der Glimmer anschliesend abgel9st. Der Glimmer fungiert als Templat f3r das aufgedampfte Gold, wobei die Goldoberfl*che durch Entfernen des Glimmers („stripping“) freigelegt wird. Das Gold wird dabei mechanisch, mit oder ohne Verwendung von penetrierenden L9sungsmitteln, von der Glimmeroberfl*che abgel9st, sodass die R3ckseite des aufgedampften Goldes freigelegt wird. Mit dieserMethode lassen sich groseMetalloberfl*chen mit sehr geringer Oberfl*chenrauigkeit anfertigen. Nach den ersten Berichten 3ber TS-gefertigte Oberfl*chen wurde die Methode mehrfach verbessert. Die Bedeutung ultraglatter Oberfl*chen z.B. f3r die SAMGrundlagenforschung, f3r die Anbringung von Biomolek3len oder f3r die Herstellung masgeschneiderter Oberfl*chen wurde rasch erkannt. Allerdings ist das Abl9sen des Glimmers von der Goldunterseite bei der konventionellen TS-Technik mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Unter anderem muss die Kleber-Gold-Grenzfl*che besser haften als die Gold-Glimmer-Grenzfl*che. Der Abl9sevorgang schliest eine unkontrollierte mechanische Trennung von Gold und Glimmer ein, was wiederum eine Kontamination mit Kleber oder dem verwendeten L9sungsmittel wahrscheinlich macht. Des Weiteren verbleiben beim Abl9sen Glimmerreste auf der Goldoberfl*che, sodass ein Grosteil der gefertigten Oberfl*chen verworfen werden muss. Hier stellen wir eine neuartige Methode zur Herstellung von SAM-gesch3tzten ultraglattenMetalloberfl*chen vor, die ohne starke mechanische Beanspruchung der Gold-GlimmerGrenzfl*che auskommt. Die Adh*sion von Gold-GlimmerGrenzfl*chen wurde durch direkte Kraftmessung zu Fp/R= 1800 mNm 1 bestimmt, was verdeutlicht, dass hohe Kr*fte ben9tigt werden, um das Gold vom Glimmer abzul9sen. Es ist bekannt, dass Schichtsilicate wie Glimmer kleine Molek3le einlagern k9nnen, die die Schichtstruktur aufweiten und so die Adh*sionskr*fte zwischen den einzelnen [*] P. Gupta, Dr. K. Loos, A. Korniakov, Dr. C. Spagnoli, Prof. M. Cowman, Prof. A. Ulman Othmer Department of Chemical and Biological Sciences and Engineering Polytechnic University, Six Metrotech Center Brooklyn, NY 11201 (USA) Fax: (+1)718-260-3125 E-mail: aulman@duke.poly. edu P. Gupta, Dr. K. Loos, A. Korniakov, Prof. A. Ulman The NSF Garcia MRSEC for Polymers at Engineered Interfaces Polytechnic University, Brooklyn (USA) [] Derzeitige Adresse: Faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen Polymer Chemistry, Rijksuniversiteit Groningen Nijenborgh 4, 9747 AG Groningen (Niederlande) [] Derzeitige Adresse: Hughes Center for Single Molecule Biophysics, Physiology, and Biophysical Sciences 320 Cary Hall, State University of New York at Buffalo Buffalo, NY 14214 (USA)