Ny metode til molekylær funktionalisering af overflader

En vision, der i øjeblikket driver materialeforskere, er at kombinere organiske molekyler (og deres forskellige funktioner) med de teknologiske muligheder, som ekstremt sofistikeret halvlederelektronik tilbyder. Takket være moderne metoder til mikro- og nanoteknologi, sidstnævnte designer stadig mere effektive elektroniske komponenter til en lang række applikationer. Imidlertid, det når også i stigende grad sine fysiske grænser:Stadig mindre strukturer til funktionalisering af halvledermaterialer såsom silicium kan ikke fremstilles ved hjælp af klassisk teknologis metoder. Forskere har nu præsenteret en ny tilgang i tidsskriftet Naturkemi :De viser, at stabile og alligevel meget velordnede molekylære enkeltlag kan fremstilles på siliciumoverflader-ved selvsamling. At gøre dette, de bruger N-heterocykliske carbener. Disse er små reaktive organiske ringmolekyler, hvis struktur og egenskaber varierer på mange måder og kan skræddersys af forskellige "funktionelle" grupper.

Forskere ledet af prof. Dr. Mario Dähne (TU Berlin, Tyskland), Prof. Dr. Norbert Esser (TU Berlin og Leibniz Institute for Analytical Sciences, Tyskland), Prof. Dr. Frank Glorius (Münster Universitet, Tyskland), Dr. Conor Hogan (Institute of Structure of Matter, Italiens nationale forskningsråd, Rom, Italien) og prof. Dr. Wolf Gero Schmidt (University of Paderborn, Tyskland) var involveret i undersøgelsen.

Teknologisk miniaturisering når sine grænser

"I stedet for at forsøge kunstigt at producere mindre og mindre strukturer med stigende indsats, det er oplagt at lære af molekylære strukturer og processer i naturen og at flette deres funktionalitet med halvlederteknologi, "siger kemiker Frank Glorius." Dette ville skabe en grænseflade, så at sige, mellem molekylær funktion og den elektroniske brugergrænseflade til tekniske applikationer. "Forudsætningen er, at de ultrasmå molekyler med variabel struktur og funktionalitet fysisk skal integreres med halvlederanordningerne, og de skulle være reproducerbare, stabil og så enkel som muligt.

Udnyttelse af molekylernes selvorganisering

Selvorganiseringen af ​​molekyler på en overflade, som grænseflade til enheden, kan udføre denne opgave meget godt. Molekyler med en defineret struktur kan adsorberes på overflader i stort antal og indrette sig i en ønsket struktur, der er forudbestemt af de molekylære egenskaber. "Dette fungerer ganske godt på overflader af metaller, for eksempel, men desværre, slet ikke tilfredsstillende for halvledermaterialer hidtil, "forklarer fysiker Norbert Esser. Dette er fordi for at kunne ordne sig selv, molekylerne skal være mobile (diffuse) på overfladen. Men molekyler på halvlederoverflader gør det ikke. Hellere, de er så stærkt bundet til overfladen, at de klæber til, uanset hvor de rammer overfladen.

N-heterocykliske carbener som en opløsning

At være samtidig mobil og alligevel stabilt knyttet til overfladen er det afgørende problem og samtidig nøglen til potentielle applikationer. Og det er netop her, forskerne nu har en mulig løsning ved hånden:N-heterocykliske carbener. Deres anvendelse til overfladefunktionalisering har tiltrukket stor interesse i løbet af det sidste årti. På overflader af metaller som guld, sølv og kobber, for eksempel, de har vist sig at være meget effektive overfladeligander, ofte bedre end andre molekyler. Imidlertid, deres interaktion med halvlederoverflader er stort set uudforsket.

Dannelse af en regelmæssig molekylær struktur

Visse egenskaber ved carbenerne er afgørende for, at det nu for første gang har været muligt at producere molekylære enkeltlag på siliciumoverflader:N-heterocykliske carbener, ligesom andre molekyler, danner meget stærke kovalente bindinger med silicium og er således stabilt bundet. Imidlertid, sidegrupper af molekylet holder dem samtidigt 'på afstand' fra overfladen. Dermed, de kan stadig bevæge sig på overfladen. Selvom de ikke rejser særlig langt - kun få atomafstande - er dette tilstrækkeligt til at danne en næsten lige så regelmæssig molekylstruktur på overfladen af ​​den regelmæssigt strukturerede siliciumkrystal.

Tværfagligt samarbejde

Ved hjælp af en komplementær multi-metode tilgang til organisk kemisk syntese, scanning sonde mikroskopi, fotoelektronspektroskopi og omfattende materialesimuleringer, forskerne præciserede princippet om denne nye kemiske interaktion i deres tværfaglige samarbejde. De demonstrerede også dannelsen af ​​regelmæssige molekylære strukturer i flere eksempler. "Dette åbner et nyt kapitel for funktionalisering af halvledermaterialer, såsom silicium, I dette tilfælde, "siger fysiker Dr. Martin Franz, første forfatter til undersøgelsen.