Orga­ni­sche Che­mie erwei­tert Funk­tio­na­li­tät von Halbleitern

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 Son­der­for­schungs­be­reichs 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).