Gearfetting Eric Faber

Kovalint ferbûne organyske monolagen op oksydefrije silisium oerflakken hawwe sûnt de yntroduksje yn 1993 harren wei fûn yn in ferskaat oan tapassingen. Dat binne passivitaasjelagen yn sinnesellen, maskerlagen yn litografyske prosessen, isolearjende films yn hybride molekuul-silisium-elektroanika en elektroanyske ûnthâlden. Boppedat kinne dizze lagen ienfâldich funksjonalisearre wurde mei in grut ferskaat oan resepsjegroepen. Hjirby wurdt in materiaal mei gâns ûnthjit foarme foar tapassing yn sensoaren mei dêrûnder de klasse fan de op FET basearre sensoaren. Yn dit proefskrift wurdt in oersjoch jûn fan de elektryske en elektrogemyske karakterisearring fan op silisium basearre struktueren. Dat binne Metaal-Isolator-Silisium (MIS) struktueren, Elektrolyt-Isolator-Silisium (EIS) struktueren en de hjir yntrodusearre Hybrid Organic Semiconductor FET (HOSFET) wêrby’t alle modifisearre binne mei funksjonalisearre as wol mei ûnfunksjonalisearre monolagen.

Nei in algemiene ynlieding yn Haadstik 1, wurdt yn Haadstik 2 de ynfloed behannele fan silisium oerflakmodifikaasje fan Si-C_nH_2n+1 (n = 10, 12, 16 en 22) struktueren op p-type <100> en n-type <100> silisium. Dit is bard troch it foarmjen fan MIS-struktueren mei help fan in kwikprobe. Troch mjittingen fan sawol de streamtichtheid-spanning (J-V) as kapasiteit-spanning (C-V) relaasjes binne de nedige relevante parameters ôflaat dy’t it elektroanyske gedrach fan dizze struktueren beskriuwe: de effektive barriêrehichte, de flakkebânspanning en de fêste ladingstichtheid in it silisium-monolaach grinsflak. Der is oantoand dat it J-V gedrach fan dizze MIS-struktueren presys ôfstimd wurde kin troch de ketenlingte fan de monolaach. De flakkebânspanning is lyk foar alle struktueren, nettsjinsteande de ketenlingte. Dat tsjut op like eigenskippen fan alle silisium-monolaach grinsflakken. Boppedat is in tige lege fêste ladingstichtheid (~ 6×10¹¹ sm^-2) fûn by monolagen op p-type silisium. Troch stabiliteitsmjittingen wurdt dúdlik dat de J-V plots stabyl bliuwe foar alle samples, nettsjinsteande keatlinglingte. By p-type silisium ferskoot de oerflaktespanning yn de tiid nei mear negativere wearden, itjinge oksydefoarming ymplisearret. De resultaten foar struktueren mei monolagen wienen superieur yn ferliking mei SiO₂ isolatoaren fan likense dikte.

Yn it dêrnei folgjende Haadstik 3 wurde de ynfloeden fan sawol it type monolaach molekuul (1-alkene/1-alkyne) as de substraatoriïntaasje (<100>/<111>) ûndersocht mei Si-C₁₈H₃₇ struktueren op n-type silisium. Oantoand wurdt dat 1-alkynen, dy’t 2 Si-C biningen meitsje kinne, bettere isolearjende eigenskippen hawwe as 1‑alkenen, dy’t mar ien inkelde Si-C bining meitsje, itjinge wierskynlik laat ta in maklike oksydaasje fan oerbleaune Si-H biningen. Der is gjin merkbere ynfloed fan substraatoriïntaasje waarnommen. XPS mjittingen befêstigje it hegere gehalte oksyde op struktueren fan beide oriïntaasje modifisearre mei monolagen fan 1-alkenen. Yn tsjinstelling ta de befiningen mei de elektryske mjittingen is lykwols mei XPS oantoand dat foar alle struktueren op <111> oerflakken de hoemannichte oksyde heger leit as op de <100> oerflakken. De resultaten fan beide stúdzjes litte sjen dat Si-C linkte monolagen, by foarkar makke fan 1-alkynen, op flak silisium in materiaal mei gâns ûnthjit foarmje foar takomstige hybride molekuul-silisium apparaten.

Yn Haadstik 4 wurdt in mjitmetoade behannele foar it fêststellen fan pH responsys fan EIS-struktueren. Dizze wurde ornaris bepaald mei C-V kurven. Yn it gefal fan nm-tinne isolatoaren, lykas Si-C linkte monolagen, binne dizze C-V kurven faak sa ferfoarme dat de responsys dêrút net mear op ienderlei wize ôf te lieden binne. Troch de útstelde metoade, Mott Schottky mjittingen, blykt it wol mooglik te wêzen dizze responsys fêst te stellen, lykas oantoand troch mjittingen oan EIS-struktueren mei sawol dikke as tinne isolatoaren. Tagelyk wurde de net-idealiteiten, lykas waarnommen by Mott Schottky mjittingen, behannele.

Yn Haadstik 5 wurde it elektrogemyske gedrach en de karakterisearring behannele fan EIS-struktueren mei ûnfunksjonalisearre, Si-C linkte monolagen. It docht bliken dat p-type silisium modifisearre mei ‑C_nH_2n+1 (n = 12, 16 en 22) monolagen (foar in part) oksydearret as dizze mei in anodyske biasspanningen oanstjoerd wurdt. Soartgelikense elektroden fan (ûnbeljocht) n-type silisium oksydearje net, mar hjir ûntstiet wetterstofgasfoarming by it oanstjoeren mei in hege katodyske spanning. Oksydefoarming kin resultearje yn in pH gefoeligens by sokke elektrodes fanwege it (de)protonearjen fan (foarme) Si-OH groepen. Dit lêste is fierder ûndersocht mei titrasy-eksperiminten, data analyze en it datafitten t.m.f. in site-bining model mei it doel it gedrach fan sokke monolagen te ferlykjen mei suvere SiO₂ lagen en SiO­₂ lagen modifisearre mei HMDS. Alle struktueren litte in pH gefoeligens sjen. Foar de struktueren mei Si-C linkte monolagen wurdt it gehalte Si-OH groepen skat op 0.32 - 0.64 % fan in suvere SiO₂ isolator. De pK_a wearde fan alle struktueren mei monolagen (4.0 - 4.4) is leger as fan suver SiO₂ (6.0), wat tsjut op in soerder gedrach fan dy Si-OH groepen yn ferliking mei suver SiO₂. Wearden foar de lange termyn drift binne likernôch 1 mV×h^-1 foar alle struktueren mei monolagen.

Haadstik 6 befettet de resultaten fan ionmjittingen mei HOSFETs en EIS-struktueren mei funksjonalisearre monolagen besteande út mingde monolagen fan kroaneter (15-crown-5) funksjonalisearre en inerte monolagen. As referinsje binne test HOFSETs en EIS-struktueren mei suvere ‑C₁₀H₂₁ monolagen en suver SiO₂. Troch Na⁺ en K⁺ titrasymjittingen op boppeneamde struktueren is de heechste gefoeligens foar beide kationen fûn foar SiO₂, folge troch de funksjonalisearre monolagen, wylst de inerte monolagen hielendal gjin gefoeligens sjen lieten. Dizze lêste fêststelling lit de mooglikheid sjen foar it meitsjen fan sensorstruktueren fan silisium mei Si-C linkte monolagen. De lege gefoeligens fan de HOFSETs en EIS-struktueren mei funktionalisearre monolagen is nei alle gedachten feroarsake troch de minne biningseigenskippen fan de keazen reseptor en net troch hokker tekoartkommings dan ek fan de ûnderlizzende silisium-monolaach struktuer.