Comparaison de la structure théoriquement calculée (DFT, à droite) de la couche unique NHC ordonnée avec l'image expérimentale de microscopie à effet tunnel (STM, la gauche). N :atome d'azote, C :atome de carbone, Si :atome de silicium, B :atome de bore. Crédit :Dr Martin Franz et Dr Hazem Aldahhak
Une vision qui anime actuellement les scientifiques des matériaux est de combiner des molécules organiques (et leurs diverses fonctionnalités) avec les possibilités technologiques offertes par une électronique semi-conductrice extrêmement sophistiquée. Grâce aux méthodes modernes de micro- et nanotechnologie, ce dernier conçoit des composants électroniques toujours plus performants pour une grande variété d'applications. Cependant, elle atteint aussi de plus en plus ses limites physiques :des structures de plus en plus petites pour fonctionnaliser des matériaux semi-conducteurs comme le silicium ne peuvent être réalisées avec les approches de la technologie classique. Les scientifiques ont maintenant présenté une nouvelle approche dans la revue Chimie de la nature :Ils montrent que des monocouches moléculaires stables et pourtant très bien ordonnées peuvent être produites sur des surfaces de silicium par auto-assemblage. Pour faire ça, ils utilisent des carbènes N-hétérocycliques. Ce sont de petites molécules organiques réactives à cycle dont la structure et les propriétés varient de plusieurs manières et peuvent être adaptées par différents groupes "fonctionnels".
Les chercheurs dirigés par le Prof. Dr. Mario Dähne (TU Berlin, Allemagne), Prof. Dr. Norbert Esser (TU Berlin et Leibniz Institute for Analytical Sciences, Allemagne), Prof. Dr. Frank Glorius (Université de Münster, Allemagne), Dr Conor Hogan (Institut de Structure de la Matière, Conseil national de la recherche d'Italie, Rome, Italie) et Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt (Université de Paderborn, Allemagne) ont participé à l'étude.
La miniaturisation technologique atteint ses limites
"Au lieu d'essayer de produire artificiellement des structures de plus en plus petites avec des efforts croissants, il est évident d'apprendre des structures moléculaires et des processus dans la nature et de fusionner leur fonctionnalité avec la technologie des semi-conducteurs, " dit le chimiste Frank Glorius. " Cela ferait une interface, pour ainsi dire, entre la fonction moléculaire et l'interface utilisateur électronique pour les applications techniques." La condition préalable est que les molécules ultra-petites avec une structure et une fonctionnalité variables devraient être physiquement incorporées avec les dispositifs semi-conducteurs, et ils devraient être reproductibles, stable et aussi simple que possible.
Exploiter l'auto-organisation des molécules
L'auto-organisation des molécules sur une surface, comme interface avec l'appareil, peut très bien accomplir cette tâche. Les molécules avec une structure définie peuvent être adsorbées sur des surfaces en grand nombre et s'organiser en une structure souhaitée qui est prédéterminée par les propriétés moléculaires. "Cela fonctionne assez bien sur les surfaces des métaux, par exemple, mais malheureusement, pas du tout satisfaisant pour les matériaux semi-conducteurs jusqu'à présent, " explique le physicien Norbert Esser. C'est parce que pour pouvoir s'arranger, les molécules doivent être mobiles (diffuses) en surface. Mais les molécules sur les surfaces semi-conductrices ne font pas cela. Plutôt, ils sont si fortement liés à la surface qu'ils collent partout où ils touchent la surface.
Une image de microscopie à effet tunnel à haute résolution de la couche unique ordonnée de NHC sur silicium ; NHC signifie "carbènes N-hétérocycliques". Crédit :Dr Martin Franz
Carbènes N-hétérocycliques en solution
Être à la fois mobile et pourtant lié de manière stable à la surface est le problème crucial et en même temps la clé des applications potentielles. Et c'est précisément ici que les chercheurs ont désormais une solution possible à portée de main :les carbènes N-hétérocycliques. Leur utilisation pour la fonctionnalisation de surface a suscité beaucoup d'intérêt au cours de la dernière décennie. Sur les surfaces de métaux tels que l'or, argent et cuivre, par exemple, ils se sont avérés être des ligands de surface très efficaces, surpassant souvent les autres molécules. Cependant, leur interaction avec les surfaces semi-conductrices est restée pratiquement inexplorée.
Formation d'une structure moléculaire régulière
Certaines propriétés des carbènes sont décisives pour le fait qu'il est maintenant possible pour la première fois de produire des monocouches moléculaires sur des surfaces de silicium :les carbènes N-hétérocycliques, comme les autres molécules, forment des liaisons covalentes très fortes avec le silicium et sont ainsi liées de manière stable. Cependant, les groupes latéraux de la molécule les maintiennent simultanément « à distance » de la surface. Ainsi, ils peuvent encore se déplacer à la surface. Bien qu'ils ne parcourent pas très loin - seulement quelques distances atomiques - cela suffit pour former une structure moléculaire presque également régulière à la surface du cristal de silicium régulièrement structuré.
Collaboration interdisciplinaire
En utilisant une approche complémentaire multi-méthodes de synthèse chimique organique, microscopie à sonde à balayage, spectroscopie photoélectronique et simulations complètes de matériaux, les chercheurs ont clarifié le principe de cette nouvelle interaction chimique dans leur collaboration interdisciplinaire. Ils ont également démontré la formation de structures moléculaires régulières dans plusieurs exemples. « Cela ouvre un nouveau chapitre pour la fonctionnalisation des matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, dans ce cas, " dit le physicien Dr. Martin Franz, premier auteur de l'étude.
