В настоящее время учеными-материаловедами движет идея объединить органические молекулы (и их разнообразные функции) с технологическими возможностями чрезвычайно сложной полупроводниковой электроники. Благодаря современным методам микро- и нанотехнологий последние создают все более эффективные электронные компоненты для самых разных приложений. Однако он также все больше достигает своих физических пределов: все более мелкие структуры для функционализации полупроводниковых материалов, таких как кремний, не могут быть получены с использованием подходов классической технологии. Ученые представили новый подход в журнале Nature Chemistry: они показывают, что стабильные и в то же время очень хорошо упорядоченные молекулярные одиночные слои могут быть получены на кремниевых поверхностях путем самосборки. Для этого они используют N-гетероциклические карбены. Это небольшие реакционноспособные органические кольцевые молекулы, структура и свойства которых различаются по многим параметрам и могут быть приспособлены к различным «функциональным» группам.
Исследователи под руководством проф. д-ра Марио Дане (Берлинский технический университет, Германия), проф. д-ра Норберта Эссера (Берлинский технический университет и Институт аналитических наук им. Лейбница, Германия), проф. д-ра Франка Глориуса (Университет Мюнстера), Германия), д-р Конор Хоган (Институт строения материи, Национальный исследовательский совет Италии, Рим, Италия) и проф. д-р Вольф Геро Шмидт (Университет Падерборна, Германия).
Технологическая миниатюризация достигает своего предела
«Вместо того, чтобы пытаться искусственно создавать все более мелкие структуры с возрастающими усилиями, очевидно, что нужно учиться на молекулярных структурах и процессах в природе и объединять их функциональность с полупроводниковой технологией», - говорит химик Фрэнк Глориус.«Это создаст, так сказать, интерфейс между молекулярной функцией и электронным пользовательским интерфейсом для технических приложений». Предпосылкой является то, что сверхмалые молекулы с переменной структурой и функциональностью должны быть физически включены в полупроводниковые устройства, и они должны быть воспроизводимыми, стабильными и максимально простыми..
Использование самоорганизации молекул
Самоорганизация молекул на поверхности, как интерфейс к устройству, может очень хорошо выполнять эту задачу. Молекулы с определенной структурой могут адсорбироваться на поверхностях в большом количестве и образовывать желаемую структуру, которая предопределяется молекулярными свойствами. «Это работает довольно хорошо, например, на поверхности металлов, но, к сожалению, пока не совсем удовлетворительно для полупроводниковых материалов», - объясняет физик Норберт Эссер. Это связано с тем, что для того, чтобы иметь возможность самоорганизовываться, молекулы должны быть подвижными (диффузными) на поверхности. Но молекулы на поверхности полупроводников этого не делают. Наоборот, они настолько прочно связаны с поверхностью, что прилипают к ней везде, где встречаются.
N-Гетероциклические карбены в виде раствора
Быть одновременно подвижным и при этом прочно прикрепленным к поверхности - это важнейшая проблема и в то же время ключ к потенциальным применениям. И именно здесь у исследователей теперь есть возможное решение: N-гетероциклические карбены. Их использование для функционализации поверхности вызвало большой интерес за последнее десятилетие. Например, на поверхностях металлов, таких как золото, серебро и медь, они оказались очень эффективными поверхностными лигандами, часто превосходящими другие молекулы. Однако их взаимодействие с поверхностями полупроводников практически не изучено.
Формирование правильной молекулярной структуры
Некоторые свойства карбенов являются решающими для того факта, что теперь впервые стало возможным создавать молекулярные одиночные слои на поверхности кремния: N-гетероциклические карбены, как и другие молекулы, образуют очень прочные ковалентные связи с кремнием. и, таким образом, стабильно связаны. Однако боковые группы молекулы одновременно удерживают их «на расстоянии» от поверхности. Таким образом, они все еще могут перемещаться по поверхности. Хотя они перемещаются не очень далеко - всего на несколько атомных расстояний - этого достаточно, чтобы образовать почти такую же правильную молекулярную структуру на поверхности правильно структурированного кристалла кремния..
Междисциплинарное сотрудничество
Используя дополнительный мультиметодный подход органического химического синтеза, сканирующей зондовой микроскопии, фотоэлектронной спектроскопии и всестороннего моделирования материалов, исследователи в своем междисциплинарном сотрудничестве прояснили принцип этого нового химического взаимодействия. Они также продемонстрировали образование регулярных молекулярных структур на нескольких примерах. «Это открывает новую главу в области функционализации полупроводниковых материалов, в данном случае таких, как кремний», - подчеркивает физик доктор Мартин Франц, первый автор исследования.