Molekulare Untereinheiten der Silicium Kristallstruktur

Die Entwicklung der Mikroelektronik hin zu immer höheren Integrationsdichten wird in absehbarer Zeit an ihre physikalischen Grenzen stoßen. Die sich aus diesem Szenario ergebenden Forschungsansätze befassen sich unter anderem mit der Entwicklung einer molekularen Elektronik (im Gegensatz zur derzeitigen Festkörper-Elektronik). Ein Aspekt dieser Forschung besteht in der Erforschung von kleine Untereinheiten des Silicium-Kristallgitters, beispielsweise durch Darstellung von Silicium-nano-Kristallen. Während die Herstellung solcher Materialien hauptsächlich physikalisch erfolgt (durch Abscheidung, Epitaxie und andere Verfahren) wird in dem beschriebenen Projekt eine Aufbau ausgehend von molekularen Vorstufen durch Gerüstumlagerungsreaktionen versucht. Der Vorteil dieses Zugangs liegt in seiner hohen Selektivität, der guten Untersuchbarkeit der Verbindungen und vor allem in seiner Flexibilität. In Vorarbeiten zum Antrag konnte gezeigt werden, dass die kleinste mögliche Untereinheit des Silicium-Kristallgitters (somit der kleinste mögliche Silicium Nanokristall), die sogenannte Adamantaneinheit hergestellt werden konnte. Dabei handelt es sich um ein ungespanntes tricyclisches Molekül, das weiter funktionalisiert werden kann. Davon ausgehend sollen die Chemie und die physikalischen Eigenschaften der Silaadamantane untersucht werden. Diese Verbindungen können als missing links zwischen kristallinem Silicium und der Klasse der polymeren Organo-siliciumverbindungen (Polysilane) aufgefasst werden. Dieser Aspekt verlangt nach einer gründlichen physikalischen (spektroskopischen) Untersuchung und dem Vergleich mit den Eigenschaften elementaren Siliciums. Daneben soll vor allem die Funktionalisierung der Siladamantane sowie Synthese größerer Gerüstausschnitte des Siliciums untersucht werden. Durch Einbringung bestimmter Fremdatome (z.B. Phosphor und Bor) in das Adamantangerüst soll der physikalische Prozess der Dotierung auf molekularem Niveau untersucht werden.

Polymere haben in den letzten 100 Jahren unser Leben dramatisch verändert. In Form von Kunststoffen sind sie heute praktisch allgegenwärtig. Während man typischerweise unter Polymeren Ketten aus Kohlenstoff versteht, gibt es jedoch auch Polymere aus anderen Elementen wie etwa Silicium oder Germanium. Silicium ist auf der anderen Seite ebenso omni-präsent wie Plastik, nur dass Silicium die Grundlage der modernen Elektronik darstellt. Im Zuge der rasant voranschreitenden Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise sind nun polymere Ketten aus Silicium mit organischen Resten, sogenannte Polysilane ein interessantes Forschungsgebiet für die Entwicklung molekularer elektronischer Schaltungen. Die Anordnung der Atome in Silicium in kristalliner Form (wie es für elektronische Zwecke verwendet wird) erfolgt im Diamantgitter. Da diese räumliche Orientierung für die Leitung von Elektronen wichtig ist, muss ein Ansatz festes Silicium durch molekulare Ketten aus Silicium zu ersetzen diese Ausrichtung der Moleküle im Raum berücksichtigen. Dementsprechend sind Synthesen von Polysilanen auch unter diesem Aspekt zu betrachten. Im Rahmen des Projekts Molekulare Untereinheiten der Siliciumkristallstruktur wurden Methoden untersucht, ausgewählte Ausschnitte aus der Siliciumkristallstruktur herzustellen und deren Eigenschaften zu untersuchen. Dabei wurde insbesondere eine katalytische Reaktion studiert, die es Polysilanen gestattet die Anordnung ihrer Atome so umzulagern, dass ein möglichst stabiles Molekül entsteht. Diese Stabilität ist insbesondere gegeben, wenn das Molekül eine Anordnung einnehmen kann, die jener im elementaren Siliciumkristall ähnlich ist. Eine Substanzklasse bei der dies der Fall ist, ist jene der Adamantane. Durch die angesprochene Umlagerungsreaktion gelang nun erstmalig die Synthese eines Polysilanadamantans. Eine weitere Besonderheit der untersuchten Umlagerungsreaktion, die bisher nicht bekannt war, ist die Bildung von ringförmigen Molekülen unter Abspaltung eines Molekülfragments. Da cyclische Moleküle in ihrer intramolekularen Beweglichkeit eingeschränkt sind, ist die räumliche Fixierung der Atome stärker als in kettenförmigen Molekülen. Germanium ist ebenfalls ein wichtiges Halbleiterelement. Im Rahmen des Projekts wurden einzelne Germaniumatome in Polysilane eingebracht und das Verhalten dieser Atome im Umlagerungsprozess untersucht. Dabei zeigte es sich, dass die Germaniumatome sich selektiv mit Silicium- oder gegebenenfalls anderen Germaniumatomen umgeben und Bindungen zu Kohlenstoff vermeiden. Diese Reaktion erlaubt es gezielt Ketten aus Germaniumatomen aufzubauen, welche eine Siliciumoberfläche besitzen. In Zusammenarbeit mit einer irischen Forschungsgruppe wurden Möglichkeiten untersucht,s aus den Germanium enthaltenden Polysilanen Nanodrähte aus einer Silicium-Germaniumlegierung zu erhalten. Unerwarteterweise wurden jedoch Nanodrähte mit einem kristallinen Germaniumkern umhüllt mit amorphem Siliciumoxid erhalten. Materialien dieser Art sind als Bauteile für neuartige elektronische Bauteile von hohem Interesse.