En enkel, grön metod som applicerar en skyddande beläggning på halvledare kan hjälpa till att utveckla dessa material för många applikationer, från batterier till biosensorer.

Kisel bildar ett oxidskikt på sin yta när det utsätts för luft eller fukt, som kan försämra dess elektroniska egenskaper. Att lägga till ett "skinn" av molekyler till kislet kan ge en fysisk barriär som förhindrar oxidation, men att bilda dessa monolager kan vara knepigt, kräver en inert atmosfär och långa bearbetningstider, eller kräva användning av potentiellt skadliga organiska lösningsmedel.

Sreenivasa Reddy Puniredd från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering och kollegor har nu utvecklat ett nytt sätt att leverera de skyddande molekylerna med hjälp av superkritisk koldioxid (scCO2). Koldioxid omvandlas till scCO2 under högt tryck, när det blir en fririnnande vätska som är kemiskt inert, billig, och mer miljövänliga än traditionella lösningsmedel.

Forskarna använde scCO2 för att bära molekyler som kallas alkyltioler, som innehåller långa kolkedjor med en svavelatom i ena änden. Svavel bildar en stabil bindning med kisel, medan de vattenavvisande kolkedjorna bildar ett tätt packat skinn på silikonets yta.

För att applicera beläggningen använde de alkyltioler innehållande mellan sju och 18 kolatomer för att belägga kisel, germanium, och nanotrådar av kisel. Varje procedur tog några timmar, och producerade monolager mellan 1,6 nanometer och 2,3 nanometer tjocka som motstod slitage och stötte bort vatten. Den största effekten sågs för de längsta alkyltiolkedjorna.

Monoskikten skyddade också ytan från syre i mer än 50 dagar; de framställda med användning av konventionella lösningsmedel var typiskt stabila under mindre än sju dagar. "Stabilitetsökningen förväntades, men sådan långsiktig stabilitet var en överraskning, säger Puniredd.

Kisel nanotrådar testas för en rad biologiska tillämpningar, inklusive biosensorer och antibakteriella ytor. Även om det är bräckligt och lätt att skadas av andra metoder för bildning av ett skikt, kiselnanotrådarna var oskadade av scCO2-processen, tillåta forskarna att testa hur de interagerade med mänskliga leverceller. De som skyddas av alkyltiolen med 18 kolatomer minskade avsevärt celltillväxten på nanotrådarna, jämfört med oskyddade nanotrådar eller en platt silikonyta. Det beror förmodligen på att cellernas proteiner inte kunde haka fast på monoskiktets långa kolkedjor.

"Denna scCO2-teknik kan användas för många typer av oorganisk ytmodifiering, " säger Puniredd. "Tekniken är inte bara skalbar, men förbättrar också filmens kvalitet och stabilitet. Det kan potentiellt ersätta miljarder pund av organiska lösningsmedel som används varje år i tunnfilmstillverkning och rengöringstillämpningar."