23.06.2021 - Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU)

Nuevo método de funcionalización molecular de superficies

Capas estables y ordenadas de una sola molécula sobre silicio mediante autoensamblaje

Un equipo interdisciplinar de investigadores ha conseguido depositar moléculas orgánicas que contienen nitrógeno como una capa altamente ordenada sobre el silicio. Esto abre nuevas perspectivas para el desarrollo de materiales semiconductores más potentes, que pueden utilizarse, por ejemplo, en ordenadores, energía fotovoltaica o tecnología de sensores.

Una de las visiones que impulsa actualmente a los científicos de materiales es la de combinar las moléculas orgánicas (y sus diversas funcionalidades) con las posibilidades tecnológicas que ofrece la electrónica semiconductora extremadamente sofisticada. Gracias a los modernos métodos de la micro y nanotecnología, esta última diseña componentes electrónicos cada vez más eficaces para una gran 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 pueden producirse con los enfoques de la tecnología clásica. Los científicos han presentado ahora un nuevo enfoque en la revista Nature Chemistry: Demuestran que se pueden producir capas moleculares estables y muy bien ordenadas en la superficie del silicio, mediante el autoensamblaje. Para ello, utilizan carbenos N-heterocíclicos. Se trata de pequeñas moléculas anulares orgánicas reactivas cuya estructura y propiedades varían de muchas maneras y pueden adaptarse mediante diferentes grupos "funcionales".

En el estudio participaron investigadores dirigidos por el Prof. Dr. Mario Dähne (TU Berlín), el Prof. Dr. Norbert Esser (TU Berlín e Instituto Leibniz de Ciencias Analíticas), el Prof. Dr. Frank Glorius (Universidad de Münster), el Dr. Conor Hogan (Instituto de Estructura de la Materia, Consejo Nacional de Investigación de Italia, Roma) y el Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt (Universidad de Paderborn).

La miniaturización tecnológica alcanza sus límites

"En lugar de intentar producir artificialmente estructuras cada vez más pequeñas con un esfuerzo cada vez mayor, es obvio aprender de las estructuras y procesos moleculares de la naturaleza y fusionar su funcionalidad con la tecnología de los semiconductores", afirma el químico Frank Glorius. "Así se crearía una interfaz, por así decirlo, entre la función molecular y la interfaz electrónica de usuario para aplicaciones técnicas". El requisito previo es que las moléculas ultrapequeñas con estructura y funcionalidad variables tendrían que incorporarse físicamente a los dispositivos semiconductores, y tendrían que ser reproducibles, estables y lo más sencillas posible.

Aprovechar la autoorganización de las moléculas

La autoorganización de las moléculas en una superficie, como interfaz del dispositivo, puede cumplir muy bien esta tarea. Las moléculas con una estructura definida pueden adsorberse en las superficies en gran número y organizarse en una estructura deseada y predeterminada por las propiedades moleculares. "Esto funciona bastante bien en las superficies de los metales, por ejemplo, pero desgraciadamente hasta ahora no es nada satisfactorio para los materiales semiconductores", 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 de las superficies semiconductoras no lo hacen. Por el contrario, están tan fuertemente unidas a la superficie que se adhieren a ella.

Los carbenos N-heterocíclicos como solución

Ser móviles y a la vez estar unidos de forma estable a la superficie es el problema crucial y al mismo tiempo la clave de las aplicaciones potenciales. Y es precisamente aquí donde los investigadores tienen ahora a mano una posible solución: Los carbenos N-heterocíclicos. Su uso para la funcionalización de superficies ha despertado un gran interés en la última década. En superficies de metales como el oro, la plata y el cobre, por ejemplo, han demostrado ser ligandos superficiales muy eficaces, a menudo superando a otras moléculas. Sin embargo, su interacción con las superficies de los semiconductores ha quedado prácticamente inexplorada.

Formación de una estructura molecular regular

Ciertas propiedades de los carbenos son decisivas para que ahora haya sido posible, por primera vez, producir capas moleculares simples sobre superficies de silicio: Los carbenos N-heterocíclicos, al igual que 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. Así, pueden seguir moviéndose por la superficie. Aunque no se desplazan 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 de estructura regular.

Colaboración interdisciplinar

Mediante un enfoque complementario de múltiples métodos de síntesis química orgánica, microscopía de sonda de barrido, espectroscopia de fotoelectrones y simulaciones exhaustivas de materiales, los investigadores aclararon el principio de esta novedosa interacción química en su colaboración interdisciplinar. 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", subraya el físico Dr. Martin Franz, primer autor del estudio.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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