Promotionsvortrag von Malte Schulte

1,3,7-Trimethylxanthin (C8H10N4O2), besser bekannt als Koffein, besitzt eine asymmetrische und achirale Struktur, was bei Adsorption zu zwei Enantiomeren auf der Oberfläche füuhrt. Diese Oberflächenchiralitäat hat einen Einfluss auf die strukturelle Anordnung der Molekule auf einem kristallinen Substrat. Die Strukturanalyse von Koffeinmolekülen in mono- und submonomolekularer Bedeckung auf schwach wechselwirkenden Substraten ermöglicht es diesen Einfluss zu untersuchen. In dieser Arbeit wird die Anordnung von Koffeinmolekülen auf einer Au(111)-Oberfläche mittels Rastertunnelmikroskopie (STM), niederenergetische Elektronenbeugung (LEED), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen untersucht. Dafür werden dünne Koffeinfilme mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) im Ultrahochvakuum (UHV) präpariert und zunächst bei Raumtemperatur untersucht. Die Koffeinmoleküle ordnen sich bei monomolekularer Bedeckung in einer quasi-hexagonalen Phase auf Au(111) an. Dabei sind zwei gespiegelte Domänen in Bezug auf die Substratoberfläche in STM und LEED Experimenten messbar. Aus diesen Messungen wird zunächst auf eine periodische Schicht mit nur einem Molekül in der Einheitszelle geschlossen. In durchgeführten XPS-Experimenten wird keine starke Wechselwirkung mit dem Substrat beobachtet. Dies motiviert eine theoretische Analyse der Koffein-Monolagen-Struktur, welche mit ab-initio DFT Simulationen durchgeführt wird. Aus den Ergebnissen der Simulation läasst sich folgern, dass eine Koffein-Monoschicht mit mindestens drei Molekülen in unterschiedlichen Chiralitäten pro Einheitszelle präferiert wird. Diese Hypothese ist kompatibel mit allen aufgenommenen Messdaten. Zusätzlich zur Untersuchung bei Raumtemperatur erfolgt eine Strukturanalyse bei tiefen Temperaturen mit Fokus auf Submonolagen-Bedeckung der Koffeinmoleküle. In der Monolagen-Bedeckung kann auch bei tiefen Temperaturen die quasi-hexagonale Ordnung der Koffeinmoleküle auf dem Goldsubstrat reproduziert werden. Ebenfalls kann gezeigt werden, dass mehr als ein Molekül in der Adsorbat-Einheitszelle vorhanden ist und die Hypothese der dreimolekularen Einheitszelle wird gestärkt. Im Gegensatz zu den Raumtemperatur STM Messungen gelingt es bei tiefen Temperaturen Untersuchung bei Submonolagen-Bedeckung durchzuführen. Dort werden distinkte Ansammlungen von Koffeinmolekülen in definierter Ausrichtung zum Substrat gefunden. Diese können als Bausteine chiraler Motive auf der Oberfläche identifiziert werden. Im Übergang zur dichten quasihexagonalen Monolage geht die Struktur dieser Bausteine verloren und die bekannte Formation stellt sich ein. Diese Ergebnisse tragen zusätzlich zum Verständnis des Formationsprozesses einer Koffein-Monolage bei.

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