Een visie die momenteel materiaalwetenschappers drijft, is om organische moleculen (en hun diverse functionaliteiten) te combineren met de technologische mogelijkheden die worden geboden door uiterst geavanceerde halfgeleiderelektronica. Dankzij moderne methoden van micro- en nanotechnologie, de laatste ontwerpt steeds efficiëntere elektronische componenten voor een breed scala aan toepassingen. Echter, het bereikt ook steeds meer zijn fysieke grenzen:steeds kleinere structuren voor het functionaliseren van halfgeleidermaterialen zoals silicium kunnen niet worden geproduceerd met behulp van de benaderingen van klassieke technologie. Wetenschappers hebben nu een nieuwe aanpak gepresenteerd in het tijdschrift Natuurchemie :Ze laten zien dat stabiele en toch zeer goed geordende moleculaire enkelvoudige lagen kunnen worden geproduceerd op siliciumoppervlakken - door zelfassemblage. Om dit te doen, ze gebruiken N-heterocyclische carbenen. Dit zijn kleine reactieve organische ringmoleculen waarvan de structuur en eigenschappen op veel manieren variëren en kunnen worden aangepast door verschillende "functionele" groepen.

Onderzoekers onder leiding van Prof. Dr. Mario Dähne (TU Berlijn, Duitsland), Prof. Dr. Norbert Esser (TU Berlijn en Leibniz Instituut voor Analytische Wetenschappen, Duitsland), Prof. Dr. Frank Glorius (Universiteit van Münster, Duitsland), Dr. Conor Hogan (Instituut voor Structuur van Materie, Nationale Onderzoeksraad van Italië, Rome, Italië) en Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt (Universiteit van Paderborn, Duitsland) waren betrokken bij het onderzoek.

Technologische miniaturisering bereikt zijn grenzen

"In plaats van te proberen kunstmatig steeds kleinere constructies te produceren met toenemende inspanning, het ligt voor de hand om te leren van moleculaire structuren en processen in de natuur en hun functionaliteit samen te voegen met halfgeleidertechnologie, " zegt chemicus Frank Glorius. "Dit zou een interface maken, bij wijze van spreken, tussen moleculaire functie en de elektronische gebruikersinterface voor technische toepassingen." Voorwaarde is dat de ultrakleine moleculen met variabele structuur en functionaliteit fysiek in de halfgeleiderapparaten moeten worden geïntegreerd, en ze zouden reproduceerbaar moeten zijn, stabiel en zo eenvoudig mogelijk.

De zelforganisatie van moleculen benutten

De zelforganisatie van moleculen op een oppervlak, als interface naar het apparaat, kan deze taak zeer goed uitvoeren. Moleculen met een gedefinieerde structuur kunnen in grote aantallen op oppervlakken worden geadsorbeerd en zich rangschikken in een gewenste structuur die vooraf wordt bepaald door de moleculaire eigenschappen. "Dit werkt heel goed op oppervlakken van metalen, bijvoorbeeld, maar helaas, tot nu toe helemaal niet bevredigend voor halfgeleidermaterialen, " legt natuurkundige Norbert Esser uit. Dit komt omdat om zichzelf te kunnen regelen, de moleculen moeten mobiel (diffuus) aan het oppervlak zijn. Maar moleculen op halfgeleideroppervlakken doen dat niet. Liever, ze zijn zo sterk aan het oppervlak gebonden dat ze blijven plakken waar ze het oppervlak raken.

N-heterocyclische carbenen als oplossing

Tegelijkertijd mobiel en toch stabiel aan het oppervlak gebonden zijn, is het cruciale probleem en tegelijkertijd de sleutel tot potentiële toepassingen. En juist hier hebben de onderzoekers nu een mogelijke oplossing voor handen:N-heterocyclische carbenen. Het gebruik ervan voor oppervlaktefunctionalisering heeft het afgelopen decennium veel belangstelling getrokken. Op oppervlakken van metalen zoals goud, zilver en koper, bijvoorbeeld, ze hebben bewezen zeer effectieve oppervlakteliganden te zijn, vaak beter dan andere moleculen. Echter, hun interactie met halfgeleideroppervlakken is vrijwel onontgonnen gebleven.

Vorming van een regelmatige moleculaire structuur

Bepaalde eigenschappen van de carbenen zijn bepalend voor het feit dat het nu voor het eerst mogelijk is om moleculaire enkelvoudige lagen op siliciumoppervlakken te produceren:N-heterocyclische carbenen, net als andere moleculen, vormen zeer sterke covalente bindingen met silicium en zijn dus stabiel gebonden. Echter, zijgroepen van het molecuul houden ze tegelijkertijd 'op afstand' van het oppervlak. Dus, ze kunnen nog steeds over het oppervlak bewegen. Hoewel ze niet erg ver reizen - slechts enkele atomaire afstanden - is dit voldoende om een ​​bijna even regelmatige moleculaire structuur te vormen op het oppervlak van het regelmatig gestructureerde siliciumkristal.

Interdisciplinaire samenwerking

Met behulp van een complementaire multi-methode benadering van organische chemische synthese, aftastensondemicroscopie, foto-elektronenspectroscopie en uitgebreide materiaalsimulaties, de onderzoekers verduidelijkten het principe van deze nieuwe chemische interactie in hun interdisciplinaire samenwerking. Ze demonstreerden ook de vorming van reguliere moleculaire structuren in verschillende voorbeelden. "Dit opent een nieuw hoofdstuk voor de functionalisering van halfgeleidermaterialen, zoals silicium, in dit geval, " zegt natuurkundige Dr. Martin Franz, eerste auteur van de studie.