Een eenvoudige, groene methode die een beschermende coating op halfgeleiders aanbrengt, zou kunnen helpen om deze materialen voor veel toepassingen te ontwikkelen, van batterijen tot biosensoren.

Silicium vormt een oxidelaag op het oppervlak bij blootstelling aan lucht of vocht, wat afbreuk kan doen aan zijn elektronische eigenschappen. Het toevoegen van een 'huid' van moleculen aan het silicium kan een fysieke barrière vormen die oxidatie voorkomt, maar het vormen van deze monolagen kan lastig zijn, die een inerte atmosfeer en lange verwerkingstijden vereisen, of het gebruik van potentieel schadelijke organische oplosmiddelen eisen.

Sreenivasa Reddy Puniredd van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering en collega's hebben nu een nieuwe manier ontwikkeld om de beschermende moleculen af ​​te leveren met behulp van superkritisch koolstofdioxide (scCO2). Kooldioxide wordt onder hoge druk omgezet in scCO2, wanneer het een vrij stromende vloeistof wordt die chemisch inert is, goedkoop, en milieuvriendelijker dan traditionele oplosmiddelen.

De onderzoekers gebruikten scCO2 om moleculen te vervoeren die alkylthiolen worden genoemd, die lange koolstofketens bevatten met aan één uiteinde een zwavelatoom. Zwavel vormt een stabiele binding met silicium, terwijl de waterafstotende koolstofketens een dicht opeengepakte huid op het siliciumoppervlak vormen.

Om de coating aan te brengen, gebruikten ze alkylthiolen met tussen de zeven en 18 koolstofatomen om silicium te coaten, germanium, en silicium nanodraden. Elke procedure duurde een paar uur, en produceerde monolagen tussen 1,6 nanometer en 2,3 nanometer dik die bestand waren tegen slijtage en water afstoten. Het grootste effect werd gezien voor de langste alkylthiolketens.

De monolagen beschermden het oppervlak ook meer dan 50 dagen tegen zuurstof; die bereid met conventionele oplosmiddelen waren doorgaans minder dan zeven dagen stabiel. "De toename van de stabiliteit werd verwacht, maar zo'n stabiliteit op lange termijn was een verrassing, ' zegt Puniredd.

Silicium nanodraden worden getest voor een reeks biologische toepassingen, inclusief biosensoren en antibacteriële oppervlakken. Hoewel kwetsbaar en gemakkelijk beschadigd door andere monolaagvormingsmethoden, de silicium nanodraden waren onbeschadigd door het scCO2-proces, waardoor de onderzoekers konden testen hoe ze interageerden met menselijke levercellen. Die beschermd door de 18-koolstof alkylthiol verminderden de celgroei op de nanodraden aanzienlijk, vergeleken met onbeschermde nanodraden of een plat siliciumoppervlak. Dit komt waarschijnlijk omdat de eiwitten van de cellen zich niet konden vastklampen aan de lange koolstofketens van de monolaag.

"Deze scCO2-technologie kan worden toegepast voor vele soorten anorganische oppervlaktemodificatie, " zegt Puniredd. "De technologie is niet alleen schaalbaar, maar verbetert ook de kwaliteit en stabiliteit van de film. Het kan mogelijk miljarden ponden aan organische oplosmiddelen vervangen die elk jaar worden gebruikt in dunnefilmfabricage- en reinigingstoepassingen."