Organische Chemie erweitert Funktionalität von Halbleitern

Schnittstelle zwischen Halbleitertechnologie und organischer Chemie: Cyclooctin heftet sich selektiv an eine Siliziumoberfläche, so dass weitere funktionale Gruppen frei bleiben. (Bild: Marcel Reutzel & Michael Dürr)

Aus der Trickkiste der Organischen Chemie: Aktuelle Erkenntnisse mittelhessischer Chemiker und Physiker versprechen, die Halbleitertechnik um vielfältige Anwendungen zu erweitern. Die Forscher schafften es, organische Moleküle mit einer definierten Haftstelle auf Siliziumoberflächen zu verankern. Tragen die organischen Moleküle ausgewählte Anhänge, so bleiben diese frei, um ihre Funktion zu entfalten. Das Team des Sonderforschungsbereichs „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ (SFB 1083) berichtet in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Journal of Physical Chemistry“ über ihre Ergebnisse.

Organische Moleküle bestehen aus Kohlenstoffketten, die ganz verschiedene Anhänge tragen können, sogenannte funktionelle Gruppen. Diese sind für die große Vielfalt an Leistungen verantwortlich, die organische Verbindungen erbringen, etwa als Biomoleküle in den Zellen von Lebewesen. „Wir zeigen zum ersten Mal, wie sich solche funktionalisierte organische Moleküle ganz zielgerichtet auf Siliziumoberflächen verankern lassen“, erklärt der Physikprofessor Dr. Michael Dürr von der Justus-Liebig-Universität Gießen, Seniorautor des wissenschaftlichen Aufsatzes. „Dadurch entsteht eine Schnittstelle zwischen dem Halbleiter und organischen Verbindungen, durch die sich neue Möglichkeiten für eine gesteuerte Funktionalisierung von Halbleitern eröffnen“, ergänzt Mitverfasser Professor Dr. Ulrich Koert, der Organische Chemie an der Philipps-Universität Marburg lehrt.

Halbleiter für Computeranwendungen bestehen meist aus Silizium. Organische Moleküle lassen sich nur schwer auf unbehandelten Silizium-Oberflächen verankern, weil diese sehr reaktionsfreudig sind. Organische Moleküle mit mehreren funktionellen Gruppen haften mal mit dem einen, dann wieder mit einem anderen dieser Anhänge am Untergrund. Dadurch entsteht auf der Oberfläche ein Gemisch von Molekülen, deren frei gebliebene funktionelle Gruppen ganz verschiedene Funktionen erfüllen.

Das Team um Koert und Dürr hat nun erstmals eine Strategie gefunden, wie sich diese Schwierigkeit überwinden lässt; sie soll auf die unterschiedlichsten Einzelfälle anwendbar sein. Die Forscher verwenden organische Moleküle, die als funktionelle Gruppe die Verbindung Cyclooctin tragen. Cyclooctine haben sich als außerordentlich nützlich erwiesen, um selektive Bindungen zwischen Molekülen in lebenden Zellen zu stiften. Dieses Prinzip übertrugen die Autoren auf die Funktionalisierung von Halbleitern. Wie Koert, Dürr und ihre Mitstreiter zeigen, heftet sich Cyclooctin stets an die Siliziumoberfläche, so dass die weiteren funktionalen Gruppen frei bleiben.

„Mit dieser Veröffentlichung haben wir ein wichtiges Forschungsziel unseres Sonderfor-schungsbereichs erreicht“, hebt Professor Dr. Ulrich Höfer hervor, Sprecher des SFBs und Koautor des wissenschaftlichen Aufsatzes. „Wir haben eine allgemeine Strategie für den Aufbau einer Schnittstelle zwischen dem Halbleiter Silizium und einer Vielzahl organischer Moleküle entwickelt und erfolgreich demonstriert“, fasst Koert die Ergebnisse zusammen. „Damit entsteht zugleich eine Schnittstelle zwischen der Halbleitertechnologie und der organischen Chemie, die eine Vielzahl von Anwendungsperspektiven eröffnet.“ Als Beispiel nennen die Autoren die Integration optisch aktiver Schichten auf Silizium-Halbleitern. Eine zeitgleich erscheinende Fachpublikation beschreibt die kontrollierte, schichtweise Synthese mit derselben Klasse von Molekülen in Lösung.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die zugrundeliegende wissenschaftliche Arbeit durch den Sonderforschungsbereich „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ (SFB 1083) sowie durch das Graduiertenkolleg „Funktionalisierung von Halbleitern“ (GRK 1782).

Literatur

Marcel Reutzel & al.: Chemoselective Reactivity of Bifunctional Cyclooctynes on Si(001), The Journal of Physical Chemistry 2016, DOI: http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b07501