Jämförelse av den teoretiskt beräknade strukturen (DFT, till höger) av det beställda NHC -enkelskiktet med den experimentella scanningstunnelmikroskopibilden (STM, vänster). N:kväveatom, C:kolatom, Si:kiselatom, B:boratom. Upphovsman:Dr Martin Franz och Dr. Hazem Aldahhak
En vision som för närvarande driver materialforskare är att kombinera organiska molekyler (och deras olika funktioner) med de tekniska möjligheter som erbjuds av extremt sofistikerad halvledarelektronik. Tack vare moderna metoder för mikro- och nanoteknik, den senare konstruerar allt effektivare elektroniska komponenter för en mängd olika applikationer. Dock, den når också alltmer sina fysiska gränser:Allt mindre strukturer för funktionalisering av halvledarmaterial som kisel kan inte produceras med hjälp av klassisk teknik. Forskare har nu presenterat en ny metod i tidningen Naturkemi :De visar att stabila och ändå mycket välordnade molekylära enkelskikt kan produceras på kiselytor-genom självmontering. Att göra detta, de använder N-heterocykliska karben. Dessa är små reaktiva organiska ringmolekyler vars struktur och egenskaper varierar på många sätt och kan skräddarsys av olika "funktionella" grupper.
Forskare ledda av prof. Dr. Mario Dähne (TU Berlin, Tyskland), Prof. Dr. Norbert Esser (TU Berlin och Leibniz Institute for Analytical Sciences, Tyskland), Prof.Dr.Frank Glorius (universitet i Münster, Tyskland), Dr Conor Hogan (Institute of Structure of Matter, Italiens nationella forskningsråd, Rom, Italien) och professor Dr.Wolf Gero Schmidt (University of Paderborn, Tyskland) var inblandade i studien.
Teknologisk miniatyrisering når sina gränser
"I stället för att försöka tillverka konstgjorda mindre och mindre strukturer med ökande ansträngning, det är uppenbart att lära av molekylära strukturer och processer i naturen och att slå samman deras funktionalitet med halvledarteknik, "säger kemisten Frank Glorius." Detta skulle göra ett gränssnitt, så att säga, mellan molekylär funktion och det elektroniska användargränssnittet för tekniska tillämpningar. "Förutsättningen är att de ultrasmå molekylerna med variabel struktur och funktionalitet måste fysiskt införlivas med halvledarenheterna, och de måste vara reproducerbara, stabil och så enkel som möjligt.
Utnyttja molekylernas självorganisation
Självorganisation av molekyler på en yta, som ett gränssnitt till enheten, kan utföra denna uppgift mycket bra. Molekyler med en definierad struktur kan adsorberas på ytor i stort antal och ordna sig i en önskad struktur som är förutbestämd av de molekylära egenskaperna. "Detta fungerar ganska bra på metaller, till exempel, men tyvärr, inte alls tillfredsställande för halvledarmaterial än så länge, "förklarar fysikern Norbert Esser. Detta beror på att för att kunna ordna sig själva, molekylerna måste vara rörliga (diffusa) på ytan. Men molekyler på halvledarytor gör inte det. Snarare, de är så starkt bundna till ytan att de fastnar var de än träffar ytan.
En högupplöst skanningstunnelmikroskopi av det beställda NHC-enkelskiktet på kisel; NHC står för "N-heterocykliska karben.". Upphovsman:Dr Martin Franz
N-heterocykliska karben som lösning
Att samtidigt vara mobil och ändå stabilt bunden till ytan är det avgörande problemet och samtidigt nyckeln till potentiella applikationer. Och det är just här som forskarna nu har en möjlig lösning till hands:N-heterocykliska karben. Deras användning för ytfunktionalisering har väckt stort intresse under det senaste decenniet. På ytor av metaller som guld, silver och koppar, till exempel, de har visat sig vara mycket effektiva ytligander, ofta bättre än andra molekyler. Dock, deras interaktion med halvledarytor har förblivit praktiskt taget outforskade.
Bildande av en vanlig molekylstruktur
Vissa egenskaper hos karbenerna är avgörande för att det nu har varit möjligt för första gången att producera molekylära enkelskikt på kiselytor:N-heterocykliska karben, som andra molekyler, bildar mycket starka kovalenta bindningar med kisel och är därmed stabilt bundna. Dock, sidogrupperna i molekylen håller dem samtidigt "på avstånd" från ytan. Således, de kan fortfarande röra sig på ytan. Även om de inte reser särskilt långt - bara några atomavstånd - är detta tillräckligt för att bilda en nästan lika regelbunden molekylstruktur på ytan av den regelbundet strukturerade kiselkristallen.
Tvärvetenskapligt samarbete
Med hjälp av en kompletterande metod med flera metoder för organisk kemisk syntes, avsökningsmikroskopi, fotoelektronspektroskopi och omfattande materialsimuleringar, forskarna klargjorde principen för denna nya kemiska interaktion i sitt tvärvetenskapliga samarbete. De demonstrerade också bildandet av regelbundna molekylära strukturer i flera exempel. "Detta öppnar ett nytt kapitel för funktionalisering av halvledarmaterial, som kisel, I detta fall, "säger fysikern Dr. Martin Franz, första författaren till studien.
