Nieuwe stofklassen voor nanomaterialen: nanobolletjes en diamantsplinters van silicium en germanium

De silicium bol [Cl@Si₂₀H₂₀]^–, voor het eerst gesynthetiseerd door chemici van de Goethe Universiteit Frankfurt, belooft nieuwe toepassingen in de halfgeleidertechnologie. Blauw: silicium, groen: chloride-ion, grijs: waterstof. Krediet: Goethe-universiteit Frankfurt

De nieuwste generaties computerchips zijn slechts enkele nanometers groot en worden door voortschrijdende miniaturisering steeds energiezuiniger en krachtiger. Omdat de etsprocessen die traditioneel worden gebruikt bij de productie van chips steeds meer hun grenzen bereiken, is de ontwikkeling van nieuwe, nanogestructureerde halfgeleidermaterialen essentieel. Dergelijke nanohalfgeleiders spelen ook een centrale rol bij het omzetten van elektriciteit in licht en vice versa.

Een team van de Goethe-universiteit Frankfurt onder leiding van Matthias Wagner is er nu in geslaagd moleculaire nano-“bollen” te synthetiseren die zijn gemaakt van 20 siliciumatomen, de zogenaamde silafulleranen. De tweede nieuwe klasse materialen zijn kristalbouwstenen gemaakt van 10 silicium- en germaniumatomen met een diamantachtige structuur. Doorslaggevende inzichten in de elektronische structuren van de nieuwe verbindingen werden geleverd door computergebaseerde theoretische analyses van de onderzoeksgroep van Stefan Grimme in Bonn.

De 20 siliciumatomen van silafulleraan vormen een dodecaëder, een lichaam dat bestaat uit regelmatige vijfhoeken. Het kapselt een chloride-ion in. Bij elke siliciumhoek van het lichaam steekt een waterstofatoom naar buiten. Promovendus Marcel Bamberg, die het molecuul heeft gesynthetiseerd, legt uit: “Ons silafulleraan is de lang gezochte stamvader van deze nieuwe klasse stoffen. De waterstofatomen kunnen gemakkelijk worden vervangen door functionele groepen, waardoor het silafulleraan andere eigenschappen krijgt.” Kwantumchemicus Markus Bursch uit Bonn voegt toe: “We ondersteunen de gerichte generatie van potentieel bruikbare eigenschappen met theoretische voorspellingen van hun resulterende effecten.”

Het silicium-germanium-adamantaan vormt de bouwsteen van een gemengde silicium-germaniumlegering. Benedikt Köstler, die de verbindingen ontwikkelt als onderdeel van zijn proefschrift, zegt dat “recente studies hebben aangetoond dat silicium-germaniumlegeringen superieur zijn aan zuivere siliciumhalfgeleiders in belangrijke toepassingsgebieden. De productie van dergelijke legeringen is echter erg moeilijk en u krijgen vaak mengsels van verschillende samenstellingen.We zijn erin geslaagd een eenvoudig synthesepad te ontwikkelen voor de basisbouwsteen van silicium-germanium-legeringen. Ons silicium-germanium-adamantaan maakt daarom het onderzoek mogelijk van belangrijke chemische en fysische eigenschappen van silicium-germanium-legeringen op de moleculaire model. We willen het in de toekomst ook gebruiken om silicium-germaniumlegeringen met foutloze kristalstructuren te produceren.”

Koolstof, dat chemisch sterk lijkt op de elementen silicium en germanium, komt voor in vormen die vergelijkbaar zijn met de twee nieuwe klassen van stoffen: holle bollen van koolstofatomen (“fullerenen”) komen overeen met silafulleranen en diamanten bestaande uit koolstof zijn samengesteld uit adamantaan-subeenheden . Fullerenen verhogen onder meer de efficiëntie van organische zonnecellen, kunnen de batterijen van elektrische auto’s veiliger maken en kunnen vooruitgang in supergeleiding bij hoge temperaturen beloven. Nanodiamanten hebben ook een breed scala aan toepassingen, van farmaceutica tot katalyse-onderzoek.

Tegen deze achtergrond zijn de onderzoekers in Frankfurt en Bonn verheugd om te zien in welke velden hun silafulleranen en siliciumgermanium-adamantanen zich zullen vestigen. Matthias Wagner zegt: “Het is al mogelijk om licht in alle kleuren van het zichtbare spectrum te genereren met nanogestructureerd silicium en germanium in de vorm van kwantumdots, en dit wordt getest voor beeldschermen van computers en mobiele telefoons, evenals in telecommunicatie. Apart van het chemisch-technische potentieel ben ik persoonlijk gefascineerd door de hoge symmetrie van onze verbindingen: ons silafulleraan is bijvoorbeeld een van de vijf platonische lichamen en bezit een tijdloze schoonheid.”