Forskere først til at forbinde silicium atomer på overflader

Materialer som galliumarsenid er ekstremt vigtige for produktionen af ​​elektroniske enheder. Da udbuddet af det er begrænset, eller de kan udgøre sundheds- og miljøfarer, specialister leder efter alternative materialer. Såkaldte konjugerede polymerer er kandidater. Disse organiske makromolekyler har halvlederegenskaber, dvs. de kan lede elektricitet under visse betingelser. En mulig måde at fremstille dem i den ønskede todimensionelle - dvs. ekstrem flad form præsenteres af overfladekemi, et forskningsfelt etableret i 2007.

Siden da, der er udviklet mange reaktioner og produceret interessante materialer til mulige anvendelser. De fleste af reaktionerne er baseret på dannelsen af ​​carbon-carbon-bindinger. Et team bestående af forskellige arbejdsgrupper fra afdelingerne for kemi og fysik ved universitetet i Münster (Tyskland) har nu brugt silicium-siliciumbindingsdannelse til at konstruere en polymer - en premiere inden for overfladekemi.

Tidligere, en hindring havde været sammenkædningen af ​​siliciumatomer. Konstruktion af polymerer på denne måde ved hjælp af traditionel syntetisk kemi, dvs. i en løsning, er kompliceret. At de nu er de første, der har haft succes med at fremstille en siliciumpolymer, skylder Münster-forskerne de muligheder, overfladekemi giver. Tricket var som følger:Sammenkædningen af ​​atomerne foregår på en ekstremt glat metaloverflade, hvorpå molekylerne er dampaflejret. Dette giver meget tynde materialelag. Hvis det sædvanlige kulstof erstattes af silicium, lange polymerer kan opnås, selv under milde reaktionsforhold. Fra siliciumpolymerer, forskerne håber på innovative materialeegenskaber og nye, lovende kandidater til potentielle ansøgninger. Resultaterne af undersøgelsen er blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturkemi .

Metodik

Et hold af kemikere ledet af prof. Armido Studer producerede molekyler bestående af silylgrupper forbundet ved hjælp af en såkaldt organisk linker. Fysikere fra holdet ledet af prof. Harald Fuchs undersøgte deres reaktivitet på metaloverflader (guld eller kobber). De viste, at reaktionen af ​​silicium-hydrogen-bindingerne inden for silylgrupperne fandt sted ved stuetemperatur, hvorimod en lignende kobling af carbon-carbon-bindinger normalt kræver temperaturer over 300 grader Celsius. I næste trin, forskerne præciserede den nøjagtige struktur af de dannede forbindelser:To brintatomer fjernes fra hvert siliciumatom for at skabe strukturerne af høj orden. Mere detaljerede analyser viste desuden en binding af siliciumatomerne til metaloverfladen.

Da strukturen af ​​den endelige polymer ikke kunne afklares fuldstændigt ved brug af sædvanlig scanning-tunneling mikroskopi (STM), et hold ledet af kemiker prof. Johannes Neugebauer brugte computerkemiske metoder til dette formål og simulerede STM-billederne af forskellige potentielle produkter. For at yde yderligere støtte til at karakterisere produktet, et hold ledet af fysiker Dr. Harry Mönig brugte en metode, der er specielt beregnet til disse spørgsmål baseret på atomkraftmikroskopi. Denne metode gjorde det muligt ikke kun at afbilde hele produktet, men også at lokalisere brintatomerne med drastisk øget opløsning. Johannes Neugebauers team lykkedes også med at udvikle en mekanistisk model og simulere de nødvendige reaktionstrin for at danne det fundne produkt.

Bidrag fra forskellige vinkler

"Egenskaberne af polymererne kan undersøges i fremtidige undersøgelser med hensyn til deres elektriske ledningsevne, " siger kemiker Dr. Henning Klaasen. det molekylære design kunne varieres for at tilpasse egenskaberne til en anvendelse af materialerne som organiske halvledere." Og Lacheng Liu, en ph.d. studerende i fysik, tilføjer, "Ud over, denne metode kunne bruges til at udvikle en helt ny strategi for molekylære ændringer til funktionalisering af overflader og nanopartikler."

I fremtiden, holdet planlægger at undersøge overfladekemien af ​​nye siliciumholdige funktionelle grupper mere detaljeret og sigter også på at introducere yderligere funktionelle grupper. "Vi har vist, at ikke kun kulstof kan bruges til at skabe fascinerende strukturer. De forskellige bidrag fra forskellige vinkler - af kemikere og fysikere, af mennesker med en teoretisk tilgang, af andre med en praktisk tilgang – alt sammen krævede en høj grad af kreativitet. Dette gjorde det muligt for os at udforske en ny vej i bindingsdannelsesreaktioner i overfladekemi, " sagde Melanie Wittler, en ph.d. studerende i kemi.