Einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung des NIMS, dem das Institute for Molecular Science (IMS) und die Aalto-Universität in Finnland angehören, ist es gelungen, einen zweidimensionalen Film aus siliciumintegriertem kovalentem organischem Gerüst (COF) auf einer Metalloberfläche zu synthetisieren. Diese Nanostruktur wurde durch die Verknüpfung von Molekülen und Siliziumatomen mithilfe einer neuartigen chemischen Reaktion auf der Oberfläche erhalten. Diese Synthesetechnik kann potenziell auf die Entwicklung neuer Materialien in einer Bottom-up-Weise angewendet werden.
COF-Filme mit Poren in Nanogröße haben ein breites Anwendungsspektrum, von Batteriematerialien bis hin zu Katalysatoren und Materialien, die kleine Moleküle trennen können. Um COF-Filmen diese Fähigkeiten zu verleihen, müssen bestimmte Kohlenstoffatome in molekularen Dünnfilmen durch andere chemische Elemente wie Stickstoff, Bor und Silizium ersetzt werden.
Silizium hat einige vorteilhafte Eigenschaften für diese Substitutionen: Es ist das zweithäufigste chemische Element in der Erdkruste mit einer Clarke-Zahl von 25,8 %, es ist ein Element der Gruppe 14 im Periodensystem – ebenso wie Kohlenstoff – und seine chemischen und physikalischen Eigenschaften Eigenschaften sind denen von Kohlenstoff ähnlicher als die von jedem anderen chemischen Element.
Versuche, ein Verfahren zum Ersetzen von Kohlenstoff durch Silizium in COF-Filmen zu entwickeln, waren erfolglos, teilweise weil Silizium ein anorganisches Material ist und daher selten bei der Synthese von organischen Materialien, einschließlich COF-Filmen, verwendet wird.
In den letzten Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, um Auf-Oberflächen-Synthesetechniken zum Bilden von Kohlenstoff-Dünnfilmen und COF-Filmen auf den Oberflächen von metallischen Festkörpern zu entwickeln, indem kleine organische Moleküle veranlasst werden, chemische Reaktionen auf diesen Oberflächen einzugehen.
Dieses Forschungsteam entwickelte eine neue molekulare Synthesetechnik zur Integration von Siliziumatomen in kleine organische Moleküle, indem die Moleküle mit dem auf der (111)-Oberfläche eines Goldsubstrats abgeschiedenen Silizium reagieren, anstatt sie mithilfe einer herkömmlichen organischen Synthese in die Moleküle einzuführen Methode. Mit dieser Technik gelang es dem Team erstmals, einen Silizium-integrierten COF-Film (dh Kohlenstoff-Nanofilm) zu synthetisieren.
Diese Technik kann verwendet werden, um verschiedene Typen von Kohlenstoff-Dünnfilmen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zu synthetisieren, einschließlich solcher, die schwerere Elemente der Gruppe 14 (dh Germanium und Zinn) enthalten. Das Team plant, die On-Surface-Synthesetechnik weiter zu verbessern, damit sie zur Synthese von Kohlenstoff-Nanofilmen mit Eigenschaften verwendet werden kann, die für die Entwicklung von Elektronik der nächsten Generation geeignet sind.
Diese Studie wurde in der Online-Version der Ausgabe vom 7. November 2022 veröffentlicht Naturchemie.
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Kewei Sun et al, On-Surface-Synthese von Disilabenzol-verbrückten kovalenten organischen Gerüsten, Naturchemie (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01071-3