Nye stofklasser for nanomaterialer:Nanokugler og diamantstriber lavet af silicium og germanium

De seneste generationer af computerchips er kun få nanometer store og bliver stadig mere energibesparende og kraftfulde som følge af progressiv miniaturisering. Da de ætseprocesser, der traditionelt anvendes i spånproduktion, i stigende grad når deres grænser, udvikling af nye, nanostrukturerede halvledermaterialer er afgørende. Sådanne nano-halvledere spiller også en central rolle i at konvertere elektricitet til lys og omvendt.

Et hold ved Goethe Universitetet i Frankfurt ledet af Matthias Wagner er nu lykkedes med at syntetisere molekylære nano-"sfærer" lavet af 20 siliciumatomer, såkaldte silafulleraner. Den anden nye klasse af materialer er krystalbyggesten lavet af 10 silicium- og germaniumatomer, der har en diamantlignende struktur. Afgørende indsigt i de nye forbindelsers elektroniske strukturer blev givet af computerbaserede teoretiske analyser fra Stefan Grimmes forskningsgruppe i Bonn.

De 20 siliciumatomer i silafulleran danner et dodekaeder, en krop sammensat af regulære femkanter. Det indkapsler en chloridion. Et brintatom rager udad ved hvert siliciumhjørne af kroppen. Doktorand Marcel Bamberg, hvem syntetiserede molekylet, forklarer:"Vores silafullerane er den længe søgte stamfader til denne nye klasse af stoffer. Hydrogenatomerne kan nemt erstattes med funktionelle grupper, dermed giver silafulleranen forskellige egenskaber." Bonn kvantekemiker Markus Bursch tilføjer:"Vi støtter den målrettede generering af potentielt nyttige egenskaber med teoretiske forudsigelser af deres resulterende virkninger."

Silicium-germanium-adamantan repræsenterer byggestenen i en blandet silicium-germanium-legering. Benedikt Köstler, hvem udvikler forbindelserne som en del af sin doktorafhandling, siger, at "nylige undersøgelser har vist, at silicium-germanium-legeringer er overlegne i forhold til rene siliciumhalvledere på vigtige anvendelsesområder. fremstillingen af ​​sådanne legeringer er meget vanskelig, og man får ofte blandinger af forskellige sammensætninger. Det er lykkedes os at udvikle en simpel syntesevej for den grundlæggende byggesten af ​​silicium-germanium-legeringer. Vores silicium-germanium adamantan muliggør derfor undersøgelse af vigtige kemiske og fysiske egenskaber af silicium-germanium legeringer på den molekylære model. Vi ønsker også at bruge det i fremtiden til at producere silicium-germanium-legeringer med fejlfri krystalstruktur."

Kulstof, som kemisk minder meget om grundstofferne silicium og germanium, forekommer i sammenlignelige former med de to nye stofklasser:Hule sfærer af carbonatomer ("fullerener") svarer til silafulleraner, og diamanter bestående af kulstof er sammensat af adamantan-underenheder. Blandt andet, fullerener øger effektiviteten af ​​organiske solceller, kunne gøre batterierne i elbiler sikrere, og lover fremskridt inden for superledning ved høje temperaturer. Nanodiamanter har også en bred vifte af applikationer, fra lægemidler til katalyseforskning.

På denne baggrund, forskerne i Frankfurt og Bonn er spændte på at se, på hvilke områder deres silafulleraner og silicium-germanium adamantaner vil blive etableret. Matthias Wagner siger:"Det er allerede muligt at generere lys i alle farver af det synlige spektrum med nanostruktureret silicium og germanium i form af kvanteprikker, og dette bliver testet til computer- og mobiltelefonskærme, samt inden for telekommunikation. Udover det kemisk-tekniske potentiale, Jeg er personligt fascineret af den høje symmetri i vores forbindelser:F.eks. vores silafullerane er en af ​​de fem platoniske faste stoffer og besidder en tidløs skønhed."