Comparación de la estructura calculada teóricamente (DFT, derecha) de la capa única NHC ordenada con la imagen de microscopía de túnel de barrido experimental (STM, izquierda). N:átomo de nitrógeno, C:átomo de carbono, Si:átomo de silicio, B:átomo de boro. Crédito:Dr. Martin Franz y Dr. Hazem Aldahhak
Una visión que está impulsando actualmente a los científicos de materiales es combinar moléculas orgánicas (y sus diversas funcionalidades) con las posibilidades tecnológicas que ofrece la electrónica de semiconductores extremadamente sofisticada. Gracias a los métodos modernos de micro y nanotecnología, este último diseña componentes electrónicos cada vez más eficientes para una amplia variedad de aplicaciones. Sin embargo, también está alcanzando cada vez más sus límites físicos:las estructuras cada vez más pequeñas para funcionalizar materiales semiconductores como el silicio no se pueden producir utilizando los enfoques de la tecnología clásica. Los científicos han presentado ahora un nuevo enfoque en la revista. Química de la naturaleza :Demuestran que se pueden producir capas individuales moleculares estables y, sin embargo, muy bien ordenadas sobre superficies de silicio mediante el autoensamblaje. Para hacer esto, utilizan carbenos N-heterocíclicos. Se trata de pequeñas moléculas anulares orgánicas reactivas cuya estructura y propiedades varían de muchas formas y pueden adaptarse a diferentes grupos "funcionales".
Investigadores dirigidos por el Prof.Dr. Mario Dähne (TU Berlín, Alemania), Prof.Dr. Norbert Esser (TU Berlín y el Instituto Leibniz de Ciencias Analíticas, Alemania), Prof. Dr. Frank Glorius (Universidad de Münster, Alemania), Dr. Conor Hogan (Instituto de Estructura de la Materia, Consejo Nacional de Investigación de Italia, Roma, Italia) y el Prof.Dr. Wolf Gero Schmidt (Universidad de Paderborn, Alemania) participaron en el estudio.
La miniaturización tecnológica llega a sus límites
"En lugar de intentar producir artificialmente estructuras cada vez más pequeñas con un esfuerzo creciente, Es obvio aprender de las estructuras y procesos moleculares de la naturaleza y fusionar su funcionalidad con la tecnología de semiconductores. "dice el químico Frank Glorius." Esto haría una interfaz, por así decirlo, entre la función molecular y la interfaz de usuario electrónica para aplicaciones técnicas. "El requisito previo es que las moléculas ultrapequeñas con estructura y funcionalidad variables tendrían que incorporarse físicamente con los dispositivos semiconductores, y tendrían que ser reproducibles, estable y lo más simple posible.
Aprovechando la autoorganización de las moléculas
La autoorganización de moléculas en una superficie, como interfaz para el dispositivo, puede realizar esta tarea muy bien. Las moléculas con una estructura definida se pueden adsorber en superficies en grandes cantidades y organizarse en una estructura deseada que está predeterminada por las propiedades moleculares. "Esto funciona bastante bien en superficies de metales, por ejemplo, pero desafortunadamente, nada satisfactoriamente para los materiales semiconductores hasta ahora, "explica el físico Norbert Esser. Esto se debe a que para poder organizarse, las moléculas deben ser móviles (difusas) en la superficie. Pero las moléculas en las superficies de los semiconductores no hacen eso. Bastante, están tan fuertemente adheridos a la superficie que se adhieren dondequiera que golpean la superficie.
Una imagen de microscopía de túnel de barrido de alta resolución de la capa única de NHC ordenada sobre silicio; NHC significa "carbenos N-heterocíclicos". Crédito:Dr. Martin Franz
Carbenos N-heterocíclicos como solución
Ser móvil al mismo tiempo y estar unido de forma estable a la superficie es el problema crucial y, al mismo tiempo, la clave para las aplicaciones potenciales. Y es precisamente aquí donde los investigadores tienen ahora a mano una posible solución:carbenos N-heterocíclicos. Su uso para la funcionalización de superficies ha atraído mucho interés durante la última década. Sobre superficies de metales como el oro, plata y cobre, por ejemplo, han demostrado ser ligandos de superficie muy eficaces, a menudo superando a otras moléculas. Sin embargo, su interacción con las superficies semiconductoras ha permanecido prácticamente inexplorada.
Formación de una estructura molecular regular.
Ciertas propiedades de los carbenos son decisivas para que ahora sea posible por primera vez producir capas individuales moleculares sobre superficies de silicio:carbenos N-heterocíclicos, como otras moléculas, forman enlaces covalentes muy fuertes con el silicio y, por tanto, se unen de forma estable. Sin embargo, los grupos laterales de la molécula los mantienen simultáneamente "a distancia" de la superficie. Por lo tanto, todavía pueden moverse en la superficie. Aunque no viajan muy lejos, sólo unas pocas distancias atómicas, esto es suficiente para formar una estructura molecular casi igualmente regular en la superficie del cristal de silicio estructurado regularmente.
Colaboración interdisciplinar
Utilizando un enfoque complementario de múltiples métodos de síntesis química orgánica, microscopía de sonda de exploración, espectroscopía fotoelectrónica y simulaciones completas de materiales, los investigadores aclararon el principio de esta nueva interacción química en su colaboración interdisciplinaria. También demostraron la formación de estructuras moleculares regulares en varios ejemplos. "Esto abre un nuevo capítulo para la funcionalización de materiales semiconductores, como el silicio, en este caso, "dice el físico Dr. Martin Franz, primer autor del estudio.
