From silicon wafers to silicon nanowires: : Chemical modification of 2D and 3D silicon surfaces

Abstract

Oxidfreie Siliziumsubstrate, funktionalisiert mit organischen Monoschichten, spielen heute eine Schlüsselrolle in verschiedenen Gebieten der Nanowissenschaften wie etwa in der Katalyse, der Sensorik oder der Nanoelektronik. Voraussetzung für praktische Anwendungen ist ein vielseitges und zuverlässiges Oberflächenmodifizierungsverfahren, welches die Beschichtung von Siliziumsubstraten mit organischen Monoschichten, ausgestattet mit bestimmten, gewünschten terminalen Funktionlitäten, mit bestmöglicher Kontrolle über Struktur und Reaktivität der modifizierten Oberflächen ermöglicht. In der vorliegenden Dissertation wurden Siliziumsubstrate mit unterschiedlicher Topographie (Siliziumwafer, poröses Silizium und Silizium-Nanodrähte) hergestellt und mit organischen Monoschichten modifiziert, welche über bestimmte funktionale Endgruppen an der Grenzfläche Film/Umgebungsmedium verfügten. Verschiedene Modifizierungsstrategien wurden untersucht und verglichen, zum einen die präadsorptive Synthese von Adsorbaten mit den gewünschten terminalen Funktionalitäten und zu anderen Zwei-Stufen Prozesse, wo auf der Oberfläche zunächst eine Primärschicht adsorbiert wird welche anschließend mittels in-situ Oberflächenreaktionen die gewünschte Zusammensetzung erhält oder mit einer entprechend funktionalisierten Sekundärschicht gekuppelt wird. Die Oberflächenchemie und die resultierenden Monoschichteigenschaften wurden mit einerm Verbund verschiedener Oberflächenmodifizierungstechniken (Reflexions-Absorptions Infrarotspektroskopie, Ellipsometrie, Rasterelektronenmikroskopie und Kontaktwinkelmessungen) untersucht. Ein Vergleich zwischen den chemisch identischen, aber strukturell unterschiedlichen Siliziumsubstraten, die dem gleichen Modifizierungsprozess unterworfen wurden, ergab siginifikante Unterschiede in molekularen Eigenschaften wie Reaktivität und Oberflächenstruktur und makroskopischen Egenschaften wie Oberflächenbenetzbarkeit, welche auf die unterschiedliche Oberflächentopographie der Substrate zurückgeführt wurden. Stärken und Schwächen der verschiedenen Substrate und Oberflächenmodifizierungsverfahren wurden untersucht und gegenübergestellt mit dem Ziel; ein effizientes und praxistaugliches Protokoll zur Herstellung funktioneller Siliziumsubstrate zu entwickeln.

Oxide-free silicon substrates, functionalized with organic monolayers, play a key role today in various fields of nanoscience including catalysis, sensor fabrication and nanoelectronics. Fundamental for practical applications is a versatile and reliable surface modification protocol, allowing organic monolayers with certain desired terminal functionalities to be attached to silicon substrates with a high level of control over the reactivity and structure of the modified surfaces. In this thesis, silicon substrates with different topographies (silicon wafers, porous silicon, silicon nanowires) were prepared and subsequently functionalized with organic monolayers carrying specific terminal groups located at the monolayer/ambient interface. Different functionalization strategies were tested and compared, including pre-adsorption synthesis of adsorbates with the desired terminal functionalities, or a two-step approach where the surface is first primed with a precursor monolayer which is subsequently transformed by in-situ surface reactions to the desired composition or coupled with a properly functionalized overlayer. The surface chemistry and the resulting monolayer properties of the adsorbate layers were investigated using a combination of different surface characterization methods such as reflection absorption infrared spectroscopy (RAIRS), ellipsometry, scanning electron microscopy (SEM) and contact angle measurements. A comparison between the chemically identical, but structurally different silicon substrates subjected to identical chemical modification procedures revealed profound differences in molecular properties (reactivity, surface structure) as well as in macroscopic properties like the surface wettability caused by the different surface topographies of the parent silicon substrates. Opportunities and limitations of the different substrates and surface modification approaches were explored, aiming at a versatile and reliable protocol for the preparation of functional silicon substrates that can be employed for future practical applications.