Исследователи под руководством проф. Доктор. Марио Дане (Берлинский технический университет, Германия), проф. Доктор.
Норберт Эссер (Берлинский технический университет и Институт аналитических наук им. Лейбница, Германия), проф.
Доктор. Франк Глориус (Мюнстерский университет, Германия), д-р. Конор Хоган (Институт структуры материи, Национальный исследовательский совет Италии, Рим, Италия) и проф.
Доктор. Вольф Геро Шмидт (Университет Падерборна, Германия) принимал участие в исследовании.
Технологическая миниатюризация достигает предела
«Вместо того, чтобы пытаться искусственно создавать все меньшие и меньшие структуры с возрастающими усилиями, очевидно, что нужно учиться на молекулярных структурах и процессах в природе и объединить их функциональность с полупроводниковой технологией», – говорит химик Франк Глориус. "Это сделало бы интерфейс, так сказать, между молекулярной функцией и электронным пользовательским интерфейсом для технических приложений.«Предпосылкой является то, что сверхмалые молекулы с изменяемой 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 в качестве интерфейса для устройства может очень хорошо выполнять эту задачу. Молекулы с определенной структурой могут адсорбироваться на поверхности в большом количестве и располагаться в желаемой структуре, которая предопределена молекулярными свойствами. «Это хорошо работает, например, на поверхностях 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 располагаться, молекулы должны быть подвижными (диффузными) на поверхности.
Но молекулы на поверхности полупроводников этого не делают. Скорее, они настолько сильно привязаны к поверхности, что прилипают к поверхности.
N-Гетероциклические карбены в виде раствора
Быть одновременно мобильным и в то же время стабильно связанным с поверхностью – решающая проблема и в то же время ключ к потенциальным приложениям.
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 таких металлов, как золото, серебро и медь, они оказались очень эффективными поверхностными лигандами, часто превосходя другие молекулы. Однако их взаимодействие с поверхностями полупроводников осталось практически неизученным.
Формирование регулярной молекулярной структуры
Определенные свойства карбенов имеют решающее значение 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 не перемещаются очень далеко – всего несколько атомных расстояний – этого достаточно, чтобы сформировать почти одинаково регулярную молекулярную структуру на поверхности правильно структурированного кристалла кремния.
Междисциплинарное сотрудничество
Используя дополнительный мульти-методический подход к органическому химическому синтезу, сканирующей зондовой микроскопии, фотоэлектронной спектроскопии и всестороннему моделированию материалов, исследователи прояснили принцип этого нового химического взаимодействия в рамках своего междисциплинарного сотрудничества.
Они также продемонстрировали образование регулярных молекулярных структур на нескольких примерах. «Это открывает новую главу в функционализации полупроводниковых материалов, таких как кремний в данном случае», – подчеркивает физик д-р. Мартин Франц, первый автор исследования.