Synthese van een silicium-geïntegreerde organische raamwerkfilm

Grafisch abstract. Credit: Natuur chemie (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01071-3

Een internationaal onderzoeksteam, geleid door NIMS, waaronder het Institute for Molecular Science (IMS) en de Aalto University in Finland, is erin geslaagd een tweedimensionale silicium-geïntegreerde covalente organische raamwerkfilm (COF) op een metalen oppervlak te synthetiseren. Deze nanostructuur werd verkregen door moleculen en siliciumatomen aan elkaar te koppelen met behulp van een nieuwe chemische reactie op het oppervlak. Deze synthesetechniek kan potentieel van toepassing zijn op de ontwikkeling van nieuwe materialen op een bottom-up manier.

COF-films met poriën van nanogrootte hebben een breed scala aan potentiële toepassingen, van batterijmaterialen tot katalysatoren en materialen die kleine moleculen kunnen scheiden. Om deze mogelijkheden aan COF-films te geven, moeten specifieke koolstofatomen in dunne moleculaire films worden vervangen door andere chemische elementen, zoals stikstof, boor en silicium.

Silicium heeft enkele gunstige eigenschappen voor deze vervangingen: het is het op een na meest voorkomende chemische element in gewicht in de aardkorst met een Clarke-getal van 25,8%, het is een element uit groep 14 op het periodiek systeem – net als koolstof – en zijn chemische en fysische eigenschappen. eigenschappen lijken meer op die van koolstof dan enig ander chemisch element.

Pogingen om een ​​methode te ontwikkelen om koolstof te vervangen door silicium in COF-films waren niet succesvol, deels omdat silicium een ​​anorganisch materiaal is en daarom zelden wordt gebruikt bij de synthese van organische materialen, waaronder COF-films.

Er zijn de afgelopen jaren grote inspanningen geleverd om synthesetechnieken op het oppervlak te ontwikkelen voor het vormen van dunne koolstoffilms en COF-films op de oppervlakken van metallische vaste stoffen door ervoor te zorgen dat kleine organische moleculen chemische reacties ondergaan op deze oppervlakken.

Dit onderzoeksteam ontwikkelde een nieuwe moleculaire synthesetechniek voor het integreren van siliciumatomen in kleine organische moleculen door de moleculen te laten reageren met het silicium dat is afgezet op het (111)-oppervlak van een goudsubstraat, in plaats van ze in de moleculen te introduceren met behulp van een conventionele organische synthese. methode. Met behulp van deze techniek slaagde het team er voor het eerst in een silicium-geïntegreerde COF-film (dwz koolstofnanofilm) te synthetiseren.

Deze techniek kan worden gebruikt om verschillende soorten dunne koolstoffilms met verschillende fysische eigenschappen te synthetiseren, waaronder films met zwaardere elementen uit groep 14 (dwz germanium en tin). Het team is van plan de synthesetechniek op het oppervlak verder te verbeteren, zodat deze kan worden gebruikt om koolstofnanofilms te synthetiseren met eigenschappen die geschikt zijn voor de ontwikkeling van elektronica van de volgende generatie.

Dit onderzoek is gepubliceerd in de online versie van de uitgave van 7 november 2022 van Natuur chemie.