在硅半导体表面制备有机分子线的方法技术

本发明专利技术属分子电子器件制备技术领域，具体为一种将有机分子嫁接到硅半导体表面以实现在硅半导体表面制备有机分子线的方法。本发明专利技术利用紫外光、等离子体手段对硅半导体表面进行处理，使硅表面产生可供进一步反应的活性点，这些活性点与有机分子上含有的活性官能团进行反应，在硅表面形成牢固的化学键，从而在硅半导体表面制备有机分子线。该方法可以适用于以硅半导体材料为基础的分子电子器件的制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属分子电子器件制备
，具体涉及一种利用紫外光或等离子体技术处理硅半导体材料表面，将有机分子嫁接到硅表面的方法。
技术介绍
电子学在经历了真空电子学和固体电子学两个时期以后，当前正处于以特大规模集成电路为特征的微电子学时期。目前超大规模集成电路的发展面临着挑战，这些挑战既有原理性的物理限制，又有技术性的工艺限制。针对这些问题，科学家们正在酝酿电子学的一场新的变革-----分子电子学。分子电子学研究的是分子水平上的电子学，其目标是用单个分子，超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子学元件组装逻辑电路，乃至组装完整的分子计算机。它的研究内容包括各种分子电子器件的合成，性能测试以及如何将它们组装在一起以实现一定的逻辑功能。与传统的固体电子学相比，分子电子学有着强大的优势。现行的微电子加工工艺在10年以后将接近发展的极限，线宽的不断缩小将使得固体电子器件不再遵从传统的运行规律；同时，线宽缩小也使得加工成本不断增加。而分子电子学有望解决这些问题。在奔腾电脑芯片中1cm2的面积上可以集成107-108个电子元件，而分子电子学允许在同样大小的面积上集成1014个单分子电子元件，集成度的提高将使运算速度极大提高。同时，由于分子电子学采用自下而上的方式组装逻辑电路，所使用的元件是通过化学反应大批量合成的，所以成本与传统的光刻方法相比将大大缩减。为了抢夺未来科技的制高点，许多发达国家都制定了发展纳米电子学和分子学的专项计划，投入了巨大的人力物力，同时也取得了一系列的突破。分子电子器件将是分子尺寸和纳米尺寸的功能元件，在这个尺度下运行的元件将有显著的量子效应和统计特性。构成分子电子器件的主要材料将是有机聚合物和生物蛋白质材料。用这类材料构成的功能元件，将是在分子尺寸上的组装。无论在理论上、材料上、还是组装技术上，都是现代科学和技术的尖端。它需要多种学科的交叉发展，包括电子学、物理学、化学、生物学、显微技术、表面科学、薄膜科学、材料科学等学科的共同努力，综合发展。早期的分子器件研究中，LB膜技术起着重要的作用。但是LB膜技术构造的分子器件由于有机分子与外界简单的机械接触，稳定性较差，其接触电阻严重影响了器件的性能与可重复性。为了排除这些问题，在功能材料的末端，有目的地引入一些可以用于自组装的功能性基团，通过自组装，使材料与电极的接触通过化学键结合，将是克服上述问题的关键所在。因此，自组装技术近年来引起了越来越多科学家的注意，在构筑分子器件时也得到了越来越广泛的重视。目前最多研究的是在具有大п共轭体系的有机分子长链的末端加上某些可以起到鳄鱼夹作用的基团(如SH等)，以便同金属表面或其它功能分子连接。例如巯基-金表面之间的化学反应性无论从理论还是实验研究角度大大推动了分子电子器件的发展。然而，分子电子器件研究工作不能仅仅停留在以金为代表的金属表面上，随着硅表面化学的发展，越来越将人们研究的兴趣从金属表面转到硅半导体材料上。硅在微电子领域已经是众所周知的最重要的基础材料，在电子商品中，几乎所有微处理器的集成电路都依赖于单晶硅片。人们对硅片的性质和应用潜能做了大量的研究，九十年代中后期更是开展了对这一材料的表面化学研究工作。硅晶体有类似金刚石的结构，每一个硅原子通过sp3杂化轨道与四个邻近的硅原子相连形成四面体结构。这种共价键的键长是2。35，键能是226kJ·mol-1。在这个领域，早期的研究主要集中在一些不饱和烃的反应上。这些不饱和烃通过C＝C，C≡C和双烯键与硅表面的悬空键进行类似[2+2]或[4+2]的加成反应。这种环加成反应不仅仅局限于烯烃分子。N＝N，C＝O和C≡N基团也是可以进行相似的反应。除了这些简单的不饱和分子，类似的结果同样在苯及其衍生物体系中得到。在有机溶液中，可以通过自由基、加热、光引发的方法在硅表面产生有机单分子膜。第一例报道这一反应的是1993年Chidsey等在单晶硅表面上完成的。烯烃在100℃，二酰基过氧化物催化下嫁接到H-Si表面，形成高质量的单分子膜。对于此条件下单分子膜形成的机理，Chidesy等人提出了一个自由基反应机理，与众所周知的烯烃和分子硅烷在自由基介入下反应的机理相似。Chidesy等对烯烃在无催化剂条件下嫁接到硅表面上的可能性进行了研究。他们认为当反应温度大于150℃后，无催化剂条件下反应也能进行，并确信反应的起始是由于H-Si键的异裂。Zhu等报道了一种简单、新颖的方法来实现在硅表面以Si-O键嫁接有机单分子膜，即让醇与氯端基的硅表面在吡啶的催化下反应；这一方法与他们曾报道的利用胺与Si-Cl表面反应，形成以Si-N键嫁接的单分子膜方法相似。紫外辐射能促进不饱和烃化合物的硅烷化，反应是在室温下进行的，这可避免热反应可能对敏感、微小的硅电路的特性造成不利的影响。Chidsey等指出用紫外光辐射存在于脂肪族烯烃中的H-Si表面，能引起硅表面烷基化。之后将这一反应扩大应用到芳香族取代烯烃和末端烯烃。Allongue等用电化学方法实现了在H-Si表面嫁接致密的苯基单分子膜。对浸在含4-硝基重氮苯或4-溴基重氮苯的稀HF溶液中H-Si表面施加负电压，导致产生芳香基自由基和N2，芳香自由基提取表面氢形成表面自由基，这个自由基与另一芳香自由基反应形成Si-C键。从以上的介绍中我们已经看到，人们通过借鉴有机硅烷化学并结合硅基体材料的一些电学特性，创造出了许多硅表面嫁接有机基团的方法。正是近几年在硅表面化学领域所取得的实验结果使得我们想到在硅表面嫁接更多样有机共轭分子成为可能。有机分子本身具有多样并可调的性能，例如大小，形状，化学结合力，传导性等。特别是共轭结构的有机长链分子更具有其独特的电荷传输能力。因此，探索以硅半导体材料为基础的分子电子器件是有其可行的实验基础。特别是发展以硅半导体材料为基础的分子电子器件更有两个重要的原因。一是硅半导体材料在现行的微电子领域广泛应用，发展以硅半导体材料为基础的分子电子器件在工业界具有更好的应用基础；二是不象金元素，硅是一种半导体材料，它有一个带宽。正是这个带宽的存在给我们提供了设计新颖材料的空间，拓展分子电子器件的应用领域。从以上的阐述可以看出，在硅半导体材料的表面形成通过共价键连接的分子线是发展以硅半导体材料为基础的分子电子器件的关键步骤。因此这项研究对于发展分子电子器件和分子电子学具有重要的科学意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种应用领域广阔、技术操作简便的在硅表面上制备有机分子线的方法。本专利技术提出的在硅表面上制备有机分子线的方法，是利用紫外光或等离子体技术对硅表面进行处理，使硅表面产生可供进一步反应的活性点，这些活性点与有机分子上含有的活性官能团进行反应，在硅表面形成牢固的化学键，从而在硅半导体表面制备有机分子线。利用紫外光技术的具体步骤是硅晶片首先经过浓硫酸/双氧水氧化，氢氟酸蚀刻，在表面形成硅-氢键；用＜350nm波长范围内的紫外光照射，在硅-氢表面形成活性自由基，该自由基与碳碳双键，三键，碳氮三键发生自由基反应，从而在硅表面的制备有机分子线。利用等离子体技术的具体步骤是硅晶片经过清洁后，放置在氩等离子体系统中，经过放电处理28-35秒；经等离子体处理后的硅晶片暴露在空气中5-10分钟，表面形成硅羟基；接着，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在硅表面制备有机分子线的方法，其特征在于利用紫外光或等离子体技术对硅表面进行处理，使硅表面产生可供进一步反应的活性点，这些活性点与有机分子上含有的活性官能团进行反应，在硅表面形成牢固的化学键，从而在硅半导体表面制得有机分子线。

【技术特征摘要】
1.一种在硅表面制备有机分子线的方法，其特征在于利用紫外光或等离子体技术对硅表面进行处理，使硅表面产生可供进一步反应的活性点，这些活性点与有机分子上含有的活性官能团进行反应，在硅表面形成牢固的化学键，从而在硅半导体表面制得有机分子线。2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于所述利用紫外光技术的具体步骤如下硅晶片首先经过浓硫酸/双氧水氧化，氢氟酸蚀刻，在表面形成硅-氢键；用＜350nm波长范围内的紫外光照射，在硅-氢表面形成活性自由基，该自由基与碳碳双键，三键，碳氮三键发生自由基反应，从而在硅表面制备有机分子线；所述利用等离子体技术的具体步骤如下硅晶片经过清洁后，放置在氩等离子体系统中，经过放电处理28-35秒；经等离子体处理后的硅晶片暴露在空气中5-10分钟，表面形成硅羟基；接着，用硅烷偶联剂中的三乙氧基水解，与表面的羟基形成牢固的Si-O-Si键；末端有未参与反应的官能团，将有机共轭分子或者高分子链嫁接到表面，实现表面的第二次反应，从而在硅表面形成有机分子线。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所说的硅是单晶硅、多晶硅、非晶硅和多孔硅。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于中所说的分子线是指分子的...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴郁菁，韦玮，黄维，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]