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2024-08-27
现代微纳米技术方法 开启半导体材料功能化的新篇章
- 分类：行业动态
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- 来源：
- 发布时间：2021-07-02
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【概要描述】目前推动材料科学家的一个愿景是将有机分子（及其多样化的功能）与极其复杂的半导体电子产品提供的技术可能性相结合。得益于现代微纳米技术方法，后者为各种应用设计了更高效的电子元件。
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现代微纳米技术方法 开启半导体材料功能化的新篇章
【概要描述】目前推动材料科学家的一个愿景是将有机分子（及其多样化的功能）与极其复杂的半导体电子产品提供的技术可能性相结合。得益于现代微纳米技术方法，后者为各种应用设计了更高效的电子元件。
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目前推动材料科学家的一个愿景是将有机分子（及其多样化的功能）与极其复杂的半导体电子产品提供的技术可能性相结合。得益于现代微纳米技术方法，后者为各种应用设计了更高效的电子元件。
然而，它也越来越接近其物理极限：使用传统技术的方法无法生产用于功能化半导体材料（如硅）的更小的结构。
科学家们现在在《自然化学》杂志上提出了一种新方法（“Controlled growth of ordered monolayers of N-heterocyclic carbenes on silicon”）：他们表明，可以在硅表面上产生稳定且有序的分子单层——通过自组装。为此，他们使用 N-杂环卡宾。这些是小的反应性有机环分子，其结构和性质在很多方面都不同，并且可以通过不同的“官能团”进行定制。
有序 NHC 单层的理论计算结构（DFT，右）与实验扫描隧道显微镜图像（STM，左）的比较。N：氮原子，C：碳原子，Si：硅原子，B：硼原子。（图片由研究人员提供）
由 Mario Dähne 教授（德国柏林工业大学）、Norbert Esser 教授（德国柏林工业大学和莱布尼茨分析科学研究所）、Frank Glorius 教授（德国明斯特大学）、Dr. Norbert Esser 领导的研究人员. Conor Hogan（意大利国家研究委员会物质结构研究所，意大利罗马）和 Wolf Gero Schmidt 教授（德国帕德博恩大学）参与了这项研究。
技术小型化达到极限
化学家弗兰克格洛里乌斯说，与其不断努力人工制造越来越小的结构，不如从自然界中的分子结构和过程中学习，并将其功能与半导体技术相结合，这是显而易见的。可以说，这将在分子功能和技术应用的电子用户界面之间形成一个界面。
先决条件是具有可变结构和功能的超小分子必须与半导体器件物理结合，并且它们必须是可重复的、稳定的和尽可能简单的。
利用分子的自组织
表面分子的自组织，作为设备的接口，可以很好地完成这项任务。具有确定结构的分子可以大量吸附在表面上，并将自身排列成由分子特性预先确定的所需结构。
例如，这在金属表面上效果很好，但不幸的是，到目前为止，对于半导体材料还完全不能令人满意，物理学家诺伯特·埃瑟 (Norbert Esser) 解释道。
这是因为为了能够自行排列，分子必须在表面上移动（扩散）。但是半导体表面上的分子不会这样做。相反，它们与表面的结合如此牢固，以至于它们碰到表面的任何地方都会粘住。
N-杂环卡宾作为解决方案
同时移动并稳定地粘合到表面是关键问题，同时也是潜在应用的关键。正是在这里，研究人员现在手头有一个可能的解决方案：N-杂环卡宾。在过去十年中，它们用于表面功能化引起了很多兴趣。
例如，在金、银和铜等金属表面，它们已被证明是非常有效的表面配体，通常优于其他分子。然而，它们与半导体表面的相互作用实际上仍未得到探索。
形成规则的分子结构
卡宾的某些特性决定了现在第一次有可能在硅表面上产生分子单层：N-杂环卡宾，像其他分子一样，与硅形成非常强的共价键，从而稳定地结合. 然而，分子的侧基同时使它们与表面保持“一定距离”。因此，它们仍然可以在表面上移动。
尽管它们不会移动很远——只有几个原子距离——但这足以在规则结构的硅晶体表面形成几乎同样规则的分子结构。
跨学科合作
研究人员使用有机化学合成、扫描探针显微镜、光电子能谱和综合材料模拟的互补多方法方法，在他们的跨学科合作中阐明了这种新型化学相互作用的原理。他们还在几个例子中证明了规则分子结构的形成。
该研究的第一作者、物理学家 Martin Franz 博士强调说，这开启了半导体材料功能化的新篇章，例如在这种情况下的硅。
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