Nature Chemistry：鉴定结合键！硅表面单分子层的生长

N-杂环碳烯(NHCs)是一种很有前途的表面功能化修饰剂和锚定剂，与硫醇体系相比具有一些优势。由于NHCs具有很强的结合亲和力和高的给电子能力，它们可以极大地改变它们所结合的表面的性质。近年来，NHCs被发现是稳定和修饰金属纳米粒以及在平面金属表面形成高度有序的单分子层的优良配体。到目前为止，高度有序的NHCs单分子层仅限于金属表面。然而，硅仍然是半导体器件的首选元素，因此硅的改性对电子工业至关重要。

柏林工业大学Mario Dahne、Norbert Esser和明斯特威廉大学Frank Glorius在Nature Chemistry上发表论文，对NHCs在硅上的吸附进行了全面的研究。

在这篇文章中，作者利用扫描隧道显微镜(STM)，密度泛函理论(DFT)和X射线光电子光谱(XPS)研究了NHC单分子层在Si(111)上的生长，并证明了NHC通过一个Si—C键与Si表面结合（图1b）。

作者通过使用两种不同的NHC模型来改变分子-基底相互作用，1,3-二(2,6-二异丙基苯基)咪唑-2-酰胺（IPr）和1,3-二甲基咪唑-2-酰胺（IMe）在Si(111)上√3 × √3 R30°-B表面（图1c），该基底通过B原子亚表面渗入而失活，并已被证明特别适合有机薄膜的有序生长。为了进行比较，作者还研究了IPr在反应性更强的Si(111)7×7表面的吸附。对于所有研究的NHC，都发现碳烯上C原子和Si表面原子之间共价键的直立吸附，并显示形成高度有序的单层表现出良好的热稳定性和强大的功函数还原。然而，获得的单分子的结构质量对表面的可控功能化很重要，这在很大程度上取决于NHC分子的选择，特别是其立体性质以及表面-分子和分子间相互作用之间的详细平衡。

单分子层的结构和顺序由衬底的几何形状和反应活性，特别是由NHC侧基控制。由于NHCs的高度模块化，新的电子和光电子应用，这些发现为硅表面的定制有机功能化铺平了道路。

图文详情

Nature Chemistry：鉴定结合键！硅表面单分子层的生长图1. NHCs作为表面修饰剂

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图2. 硅(111)-B表面的IPr吸附和单层形成

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图3. IMe在Si(111)-B上的吸附

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图4. Si(111)-B表面NHCs的势能面

链接

Franz, M., Chandola, S., Koy, M. et al. Controlled growth of ordered monolayers of N-heterocyclic carbenes on silicon. Nat. Chem. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41557-021-00721-2

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