Fysici bereiken hoge selectiviteit in nanostructuren met behulp van seleniumdoping

Fysici van de National University of Singapore (NUS) hebben gecontroleerde conformationele arrangementen in nanostructuren bereikt met behulp van een flexibele precursor en seleniumdoping, wat de materiaaleigenschappen en structurele homogeniteit verbetert. Hun methode bevordert on-surface synthese voor het ontwerp en de ontwikkeling van geconstrueerde nanomaterialen.

De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het dagboek Natuurcommunicatie.

On-surface synthese is de afgelopen decennia uitgebreid onderzocht vanwege het vermogen om diverse nanostructuren te creëren. Verschillende complexe nanostructuren zijn bereikt door het slimme ontwerp van precursors, de keuze van substraten en nauwkeurige controle van experimentele parameters zoals moleculaire concentratie, elektrische stimulatie en thermische behandeling.

Onder deze methoden is de Ullmann-koppeling opmerkelijk voor het efficiënt koppelen van precursors door middel van dehalogenering en covalente binding. Hoewel het meeste onderzoek zich heeft gericht op conformationeel rigide precursors, biedt het verkennen van conformationeel flexibele precursors een aanzienlijk potentieel voor het ontwikkelen van complexe functionele nanomaterialen met ontworpen structuren en eigenschappen.

Een studie onder leiding van professor Andrew Wee van de afdeling natuurkunde aan de NUS toonde topologieselectiviteit aan in een conformationeel flexibele precursor, mTBPT, met behulp van selenium (Se)-doping. De precursor heeft een triazine-ring met drie metabroomfenylgroepen en vertoont conformeren met C_{3 uur} en C_S symmetrieën.

Conformers zijn moleculen met dezelfde moleculaire formule en connectiviteit van atomen, maar verschillen in de ruimtelijke ordening van hun atomen vanwege de rotatie rond enkele bindingen. Aanvankelijk vormt zich een willekeurige mix van deze conformers bij afzetting op het koper (Cu(111)) substraat.

Door dotering met 0,01 monolaag Se bij temperaturen variërend van kamertemperatuur tot 365 Kelvin bereikten de onderzoekers een hoge selectiviteit voor de C_{3 uur} conformer. Dit verbeterde de structurele homogeniteit aanzienlijk en vormt een geordend tweedimensionaal metaal-organisch raamwerk (MOF). Het proces blijft effectief, ongeacht de afzettingsvolgorde van mTBPT en Se.

Dr. Liangliang CAI, een onderzoeker in het team, zei: “We hebben een combinatie van hoge-resolutie scanning tunneling microscopie en spectroscopie met contactloze atoomkrachtmicroscopie bij een lage temperatuur van 4 Kelvin gebruikt om de vorming van de conformationeel flexibele voorloper mTBPT op een kopersubstraat en de hoge topologieselectiviteit ervan te bestuderen met behulp van seleniumdoping.”

Het onderzoeksteam gebruikte ook berekeningen uit de dichtheidsfunctionaaltheorie, zowel met als zonder Se, om de transformatie tussen C te modelleren_S−Cu en C_{3 uur}−Cu-groepen op het Cu(111)-substraat om de hoge topologieselectiviteit van de C te verklaren_{3 uur} conformeren door Se-doping.

“Het begrijpen van de dopingeffecten, met name seleniumdoping, is belangrijk gezien de toegenomen interesse in tweedimensionale seleniden en synthese op het oppervlak. Dit inzicht zou in de toekomst kunnen leiden tot de controleerbare synthese van op maat gemaakte metaal-organische en covalente organische raamwerk nanostructuren,” voegde Prof Wee toe.