Una visione che sta attualmente guidando gli scienziati dei materiali è quella di combinare le molecole organiche (e le loro diverse funzionalità) con le possibilità tecnologiche offerte dall'elettronica dei semiconduttori estremamente sofisticata. Grazie ai moderni metodi di micro e nanotecnologia, quest'ultimo progetta componenti elettronici sempre più efficienti per un'ampia varietà di applicazioni. Però, sta anche raggiungendo sempre più i suoi limiti fisici:strutture sempre più piccole per la funzionalizzazione di materiali semiconduttori come il silicio non possono essere prodotte utilizzando gli approcci della tecnologia classica. Gli scienziati hanno ora presentato un nuovo approccio sulla rivista Chimica della natura :Mostrano che singoli strati molecolari stabili e tuttavia molto ben ordinati possono essere prodotti su superfici di silicio, mediante autoassemblaggio. Per fare questo, usano carbeni N-eterociclici. Si tratta di piccole molecole ad anello organico reattivo la cui struttura e proprietà variano in molti modi e possono essere adattate da diversi gruppi "funzionali".

Ricercatori guidati dal Prof. Dr. Mario Dähne (TU Berlino, Germania), Prof. Dr. Norbert Esser (TU Berlin e Leibniz Institute for Analytical Sciences, Germania), Prof. Dr. Frank Glorius (Università di Münster, Germania), Dr. Conor Hogan (Istituto di Struttura della Materia, Consiglio Nazionale delle Ricerche d'Italia, Roma, Italia) e il Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt (Università di Paderborn, Germania) sono stati coinvolti nello studio.

La miniaturizzazione tecnologica raggiunge i suoi limiti

"Invece di cercare di produrre artificialmente strutture sempre più piccole con uno sforzo crescente, è ovvio imparare dalle strutture e dai processi molecolari in natura e fondere la loro funzionalità con la tecnologia dei semiconduttori, " dice il chimico Frank Glorius. "Questo sarebbe un'interfaccia, per così dire, tra la funzione molecolare e l'interfaccia utente elettronica per applicazioni tecniche." Il prerequisito è che le molecole ultra-piccole con struttura e funzionalità variabili dovrebbero essere fisicamente incorporate nei dispositivi a semiconduttore, e dovrebbero essere riproducibili, stabile e il più semplice possibile.

Sfruttare l'auto-organizzazione delle molecole

L'auto-organizzazione delle molecole su una superficie, come interfaccia per il dispositivo, può svolgere molto bene questo compito. Molecole con una struttura definita possono essere adsorbite su superfici in gran numero e organizzarsi in una struttura desiderata che è predeterminata dalle proprietà molecolari. "Funziona abbastanza bene su superfici metalliche, Per esempio, ma sfortunatamente, finora non è stato affatto soddisfacente per i materiali semiconduttori, " spiega il fisico Norbert Esser. Questo perché per potersi disporre, le molecole devono essere mobili (diffuse) sulla superficie. Ma le molecole sulle superfici dei semiconduttori non lo fanno. Piuttosto, sono così fortemente legati alla superficie che si attaccano ovunque colpiscano la superficie.

Carbeni N-eterociclici come soluzione

Essere contemporaneamente mobili e tuttavia stabilmente legati alla superficie è il problema cruciale e allo stesso tempo la chiave per potenziali applicazioni. Ed è proprio qui che i ricercatori hanno ora a portata di mano una possibile soluzione:i carbeni N-eterociclici. Il loro uso per la funzionalizzazione della superficie ha suscitato molto interesse negli ultimi dieci anni. Su superfici di metalli come l'oro, argento e rame, Per esempio, hanno dimostrato di essere ligandi di superficie molto efficaci, spesso superando altre molecole. Però, la loro interazione con le superfici dei semiconduttori è rimasta praticamente inesplorata.

Formazione di una struttura molecolare regolare

Determinate proprietà dei carbeni sono determinanti per il fatto che è stato ora possibile per la prima volta produrre singoli strati molecolari su superfici di silicio:carbeni N-eterociclici, come altre molecole, formano legami covalenti molto forti con il silicio e sono quindi legati stabilmente. Però, i gruppi laterali della molecola li tengono contemporaneamente 'a distanza' dalla superficie. Così, possono ancora muoversi in superficie. Sebbene non viaggino molto lontano, solo poche distanze atomiche, questo è sufficiente per formare una struttura molecolare quasi ugualmente regolare sulla superficie del cristallo di silicio regolarmente strutturato.

Collaborazione interdisciplinare

Utilizzando un approccio multi-metodo complementare di sintesi chimica organica, microscopia a scansione di sonda, spettroscopia fotoelettronica e simulazioni di materiali complete, i ricercatori hanno chiarito il principio di questa nuova interazione chimica nella loro collaborazione interdisciplinare. Hanno anche dimostrato la formazione di strutture molecolari regolari in diversi esempi. "Si apre un nuovo capitolo per la funzionalizzazione dei materiali semiconduttori, come il silicio, in questo caso, " dice il fisico Dr. Martin Franz, primo autore dello studio.