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UV/Vis-Spektroskopie

Viele aus dem Alltag bekannte und prominente Farben, wie etwa das „Ferrarirot“ oder das „Indigoblau“ der Jeans, lassen sich auf elektronische Übergänge spezieller Moleküle zurückführen. Auch wissenschaftlich lassen sich diese ausgeprägten Farbeigenschaften organischer Substanzen zunutze machen: UV/Vis-Spektroskopie ist eine sehr schnelle Messmethode, mit der die Absorption im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich von Materialien in gasförmiger, flüssiger und fester Phase bestimmt werden kann. Dies ermöglicht Rückschlüsse über die kristalline Struktur und Orientierung, sowie die chemische Konfiguration.

Werden Moleküle von elektromagnetischer Strahlung erfasst, können sie diese absorbieren, wodurch ein Elektron in einen höheren Energiezustand angeregt wird. Dieser Prozess ist umso effektiver, je besser die Photonenenergie mit der Differenz der beteiligten Energiezustände übereinstimmt. Besonders geeignet für UV/Vis-Untersuchungen sind daher aromatische Kohlenwasserstoffe (z.B. Pentacen), deren energetische Lücke zwischen dem höchsten besetzen Molekülorbital (HOMO) und dem niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (LUMO) typischerweise einigen eV entspricht.

Geht nun ein solches Molekül eine chemische Bindung mit einem Fremdatom ein oder formt es einen kristallinen Festkörper, ändert sich seine Ladungsdichteverteilung, wodurch sich HOMO und LUMO energetisch verschieben, was im Absorptionsspektrum beobachtbar ist [3,4].

Darüber hinaus lassen sich beispielsweise in Heterostrukturen, d.h. in Mischungen zweier verschiedener Materialien, Anregungen eines Elektrons von einem in ein anderes Molekül beobachten. Man spricht von sogenannten Charge-Transfer-Exzitonen [1].

Eine besonders eingängige Anschauung, die den Nutzen von UV-Vis Messungen verdeutlicht, ist die Charakterisierung verschiedener Molekülorientierung innerhalb eines organischen Dünnfilms. Im folgenden Beispiel führt eine stehende Konfiguration von Perfluoropentacen auf Natriumfluorid (links) zu einer deutlich anderen Farberscheinung als eine liegende Konfiguration auf Kaliumchlorid (rechts) [2].

In diesem Zusammenhang kommen auch polarisationsaufgelöste Messungen zum Einsatz [4]:

Beispielhafte Publikationen unserer Gruppe, in denen UV/Vis-Spektroskopie genutzt wurde:

• [1] Thermally activated intermixture in pentacene-perfluoropentacene heterostructures.
  Tobias Breuer and Gregor Witte
  J. Chem. Phys. 138 (11), 114901 (2013)
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• [2] Epitaxial growth of perfluoropentacene films with predefined molecular orientation: A route for single-crystal optical studies.
  Tobias Breuer, Gregor Witte
  Physical Review B 83 (15), 155428 (2011)
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• Growth of aromatic molecules on solid substrates for applications in organic electronics.
  Gregor Witte and Christof Wöll
  J. Mater. Res. 19 (7), 1889-1916 (2004)
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• Vinyl-functionalized gold nanoparticles as artificial monomers for the copolymerization with methyl methacrylate.
  Katharina Gries, Mira El Helou, Gregor Witte, Seema Agarwal, Andreas Greiner
  Polymer 53 (8), 1632-1639 (2012)
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• Immobilization of quantum dots via conjugated self-assembled monolayers and their application as a light-controlled sensor for the detection of hydrogen peroxide.
  W. Khalid, M. El Helou, T. Murböck, Z. Yue, J.-M. Montenegro, K. Schubert, G. Göbel, F. Lisdat, G. Witte and W. J. Parak
  ACS Nano 5 (12), 9870-9876 (2011)
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Sonstige Quellen:

• [3] Optical properties of pentacene and perfluoropentacene thin films, Journal of Chemical Physics.
  A. Hinderhofer, U. Heinemeyer, A. Gerlach, S. Kowarik, R. M. J. Jacobs, Y. Sakamoto, T. Suzuki and F. Schreiber
  J. Chem. Phys. 127 (19), 194705 (2007)
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• [4] Preparation and Characterization of thin films of organic semiconductors and their heterostructures.
  Tobias Breuer
  Dissertation (2013)