Superkritisk kuldioxid leverer beskyttende molekyler til halvlederoverflader

En enkel, grøn metode, der anvender en beskyttende belægning på halvledere, kan hjælpe med at udvikle disse materialer til mange anvendelser, fra batterier til biosensorer.

Silicium danner et oxidlag på overfladen, når det udsættes for luft eller fugt, som kan forringe dets elektroniske egenskaber. Tilføjelse af en 'hud' af molekyler til silicium kan give en fysisk barriere, der forhindrer oxidation, men det kan være vanskeligt at danne disse monolag, kræver en inert atmosfære og lange behandlingstider, eller kræve brug af potentielt skadelige organiske opløsningsmidler.

Sreenivasa Reddy Puniredd fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og kolleger har nu udviklet en ny måde at levere de beskyttende molekyler ved hjælp af superkritisk kuldioxid (scCO2). Kuldioxid omdannes til scCO2 under højt tryk, når det bliver en fritflydende væske, der er kemisk inert, billig, og mere miljøvenlige end traditionelle opløsningsmidler.

Forskerne brugte scCO2 til at bære molekyler kaldet alkylthioler, som indeholder lange kulstofkæder med et svovlatom i den ene ende. Svovl danner en stabil binding med silicium, mens de vandafvisende kulstofkæder danner en tætpakket hud på siliciums overflade.

Til at påføre belægningen brugte de alkylthioler indeholdende mellem syv og 18 carbonatomer til at belægge silicium, germanium, og silicium nanotråde. Hver procedure tog et par timer, og producerede monolag mellem 1,6 nanometer og 2,3 nanometer tykke, der modstod slid og afviste vand. Den største effekt blev set for de længste alkylthiolkæder.

Monolagene beskyttede også overfladen mod ilt i mere end 50 dage; dem fremstillet under anvendelse af konventionelle opløsningsmidler var typisk stabile i mindre end syv dage. "Stabiliteten var forventet, men sådan langsigtet stabilitet var en overraskelse, "siger Puniredd.

Silicium nanotråde bliver testet til en række biologiske anvendelser, herunder biosensorer og antibakterielle overflader. Selvom det er skrøbeligt og let beskadiges af andre monolagsdannelsesmetoder, silicium nanotråde blev ubeskadiget af scCO2 -processen, giver forskerne mulighed for at teste, hvordan de interagerer med menneskelige leverceller. Dem, der er beskyttet af 18-carbon alkylthiol reducerede væsentligt cellevækst på nanotrådene, sammenlignet med ubeskyttede nanotråde eller en flad siliciumoverflade. Det skyldes sandsynligvis, at cellernes proteiner ikke kunne hæfte sig på monolagets lange kulstofkæder.

"Denne scCO2-teknologi kan bruges til mange former for uorganisk overflademodifikation, "siger Puniredd." Teknologien er ikke kun skalerbar, men forbedrer også filmens kvalitet og stabilitet. Det kan potentielt erstatte milliarder af pund af organiske opløsningsmidler, der bruges hvert år i tyndfilmsfremstilling og rengøringsapplikationer."