Кіріспе

Органикалық молекулалардың өздігінен құрастырылған моноқабаттары (SAM) – беттерде адсорбция арқылы спонтанды түрде қалыптасатын және белгілі бір деңгейде үлкен реттелген домендерге ұйымдастырылатын молекулалық жиынтықтар. Кейбір жағдайларда моноқабатты құрайтын молекулалар субстратпен күшті өзара әрекеттеспейді. Мысалы, алтын бетіндегі перилентетракарбоксилді диангидридтің (PTCDA) немесе жоғары бағытталған пиролиттік графиттегі (HOPG) порфириндердің екі өлшемді супермолекулалық желілері осыған жатады. Басқа жағдайларда молекулалар субстратқа күшті байланысы бар және оған молекуланы бекітетін бас тобына ие. Мұндай SAM бас, тізбек және функционалдық соңғы топтан тұрады, бұл 1-суретте көрсетілген. Көбінесе қолданылатын бас топтарға тиолдар, силандар, фосфонаттар және т.б. жатады. SAM-дар "бас топтардың" бу немесе сұйық фазадан субстратқа химисорбциялануы және содан кейін "тізбектердің" баяу ұйымдасуы арқылы құрылады. Бастапқыда, беттегі молекулалық тығыздық төмен болғанда, адсорбатталған молекулалар ретсіз молекулалық массаны немесе реттелген екі өлшемді "жатып қалған фазаны" құрайды. "Бас топтар" субстратқа жиналады, ал тізбектер субстраттан алыс жиналады. Тығыз орналасқан молекулалардың аймақтары ядроланып, субстраттың беті бір моноқабатпен жабылғанша өседі. Адсорбатталған молекулалар оңай адсорбцияланады, себебі олар субстраттың беткі еркін энергиясын төмендетеді. Мысалы, FDTS молекуласындағы трихлорсиланға негізделген "бас топ" субстраттағы гидроксил тобымен әрекеттеседі және 452 кДж/моль энергиясы бар өте тұрақты ковалентті байланыс [RSiO субстрат] құрайды. Тиол-металл байланыстарының энергиясы шамамен 100 кДж/моль болады, бұл оларды әртүрлі температураларда, еріткіштерде және потенциалдарда тұрақты етеді. Бас топпен әрекеттесетін қолайлы субстрат таңдалады. Субстраттар кремний және металдар сияқты жазық беттер немесе нанобөлшектер сияқты қисық беттер болуы мүмкін. Алканетиолдар SAM-дар үшін ең көп қолданылатын молекулалар. Алканетиолдар алкил тізбегінен (C-C)ⁿ тізбегінен, тізбек тобынан және SН бас тобынан тұрады. Молекулалық электроникада қызығушылық тудыратын басқа да молекулаларға ароматты тиолдар жатады, онда алкан тізбегі (ішінара) ароматты сақиналармен алмастырылады. Мысалы, дитиол 1,4-бензендиметанэтиол (SHCH₂C₆H₄CH₂SH). Мұндай дитиолдарға қызығушылық күкірттің екі ұшын металл контактілеріне байланыстыру мүмкіндігінен туындайды, бұл алғаш рет молекулалық өткізгіштікті өлшеуде қолданылды. Тиолдар асыл металдар субстраттарында жиі қолданылады, себебі күкірттің осы металдарға деген туыстығы жоғары. Күкірт-алтын өзара әрекеттесуі жартылай ковалентті және шамамен 45 ккал/моль энергияға ие. Сонымен қатар, алтын – инертті және биологиялық үйлесімді материал, оны алу оңай. Оны литография арқылы өңдеу де оңай, бұл наноэлектромеханикалық жүйелерде (NEMS) қолдану үшін пайдалы қасиет. SAM сипаттамаларына әсер ететін және молекулалық электроника сияқты кейбір қолдануларда қызығушылық тудыратын, субстраттармен әртүрлі байланыс сипаттамаларын іздеу жүргізілуде. Силандар көбінесе металл емес оксид беттерінде қолданылады; Бұл қайтымдылық бос аралдардың пайда болуына себеп болады және алканетиолаттардың SAM-дары термиялық түрде десорбцияланып, еркін тиолдармен алмасады.

Дайындық

SAM-дерде қолданылатын металл негіздер физикалық булану әдістері, электроқаптама немесе электросыз қаптама арқылы жасалуы мүмкін. Алканетиолат SAM-дер минутына бірнеше секундтың ішінде түзіледі. Кейбір жағдайларда, мысалы дитиол SAM-дерде, терминалдық топтарға әсер ететін және бұзылуға, көп қабатты түзілуге алып келетін тотығу немесе жарықтан туындаған процестерге байланысты проблемаларды болдырмау үшін ерекше назар қажет. Осы жағдайда, еріткіштерді дұрыс таңдау, оларды инертті газдармен газсыздандыру және жарықтан қорғалған жағдайда дайындау маңызды. Реттелген жиынтық алу қиын болғанда немесе әртүрлі тығыздық фазаларын алу қажет болғанда, орнына қою арқылы өзін-өзі құрастыру қолданылады. Бұл әдісте алдымен реттелген жиынтыққа әкелетін молекулалардың белгілі бір түрінің SAM-і түзіледі, содан кейін екінші құрастыру фазасы жүзеге асырылады (мысалы, басқа ерітіндіге батыру арқылы). Бұл әдіс әртүрлі бас топтары бар SAM-дердің салыстырмалы байланыс күштері туралы және жалпы алғанда өзін-өзі құрастыру ерекшеліктері туралы ақпарат беру үшін де қолданылған.

Қасиеттері

SAM қалыңдығын эллипсометрия және рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS) арқылы өлшеуге болады, бұл әдістер интерфейстік қасиеттер туралы да ақпарат береді. SAM-дегі реттілік пен молекулалардың бағытын Near Edge Xray Absorption Fine Structure (NEXAFS) және Фурье түрлендірілген инфрақызыл спектроскопиясы (RAIRS), сондай-ақ Жоғары ажыратымды электрондық энергия жоғалту спектроскопиясы (HREELS) көмегімен зерттеуге болады. SAM құрылымдары көбінесе сканерлеуші зондты микроскопия әдістері, мысалы атомдық күш микроскопиясы (AFM) және сканерлеуші туннельдік микроскопиясы (STM) арқылы анықталады. STM SAM қалыптасу механизмдерін түсінуге және SAM-нің беттік тұрақтылық қасиеттерін анықтайтын маңызды құрылымдық ерекшеліктерді анықтауға көмектесті. Атап айтқанда, STM пішін, кеңістіктегі таралу, терминалдық топтар және олардың жинақы орналасуын бейнелей алады. AFM SAM өткізгіш немесе жартылай өткізгіш болуын қажет етпейтін, сондай-ақ тиімді құрал ұсынады. AFM SAM-нің химиялық функционалдығын, өткізгіштігін, магниттік қасиеттерін, беттік зарядын және үйкеліс күштерін анықтау үшін қолданылды. Сканерлік дірілдейтін электродтық техника (SVET) – бұл SAM-ді сипаттау үшін қолданылатын сканерлеуші зондты микроскопияның бір түрі, ақаусыз SAM-дер SVET-те біртекті белсенділікті көрсетеді. Бірақ соңғы уақытта дифракциялық әдістер де қолданылып келеді.

2. Жергілікті түрде алып тастау

Жергілікті алып тастау стратегиясы SAM-мен бүкіл бетті жабудан басталады. Содан кейін наноқұрылымдардың орналасуы қажет емес жерлерден жеке SAM молекулалары алынады. Нәтижесі жергілікті тартымдылық стратегиясындағыдай, айырмашылығы – бұл мақсатқа жету тәсілінде. Бұл стратегияны қолданатын негізгі техникалар: ол әртүрлі материалдарды қабылдай алады немесе бастапқы SAM терминалдық тобынан өзгеше қасиеттерге ие болуы мүмкін. Бұл стратегияны қолданатын негізгі техникалар: химиялық тұрақтылық, биоүйлесімділік, сезіктендіру және сенсорлар мен наноөндіріс үшін молекулалық тану. Олар металдарды қатал химиялық заттар мен балқытушылардан қорғайды. SAM-дар ылғалды ортада NEMS және MEMS компоненттерінің жабысуын азайта алады. Сол сияқты, SAM шынының қасиеттерін өзгерте алады. Күнделікті қолданыстағы Rain X өнімі SAM-ды пайдаланып, автомобильдің алдыңғы әйнегінде жаңбырдан қорғайтын моноқабатты жасайды. Тағы бір қолданысы – нанобейімдеме литографиясы (NIL) құралдары мен формаларының жабысуға қарсы жабыны. Полимер көшірмесі үшін инъекциялық қалыптау құралдарын Perfluordecyltrichlorosilane SAM-мен жабуға болады. Жұқа пленкалы SAM-дар да наноқұрылымдарға жағуға болады. Осылайша олар наноқұрылымды функционалдайды. Бұл тиімді, себебі наноқұрылым енді өзге молекулаларға немесе SAM-дарға таңдамалы түрде жалғаса алады. Бұл техника биосенсорларда немесе басқа MEMS құрылғыларында пайдалы, олар молекуланың бір түрін ортадан бөліп алуы керек. Мысалы, магниттік нанобөлшектерді қан ағынынан саңырауқұлақты жою үшін қолдануға болады. Нанобөлшек саңырауқұлаққа байланысатын SAM-мен жабылады. Ластанған қан MEMS құрылғысы арқылы сүзіліп, магниттік нанобөлшектер қанға енгізіледі, онда олар саңырауқұлаққа байланысып, содан кейін магниттік күшпен қан ағынынан жақын жердегі ламинарлық қалдық ағынына шығарылады.

Үлгілі САМ

Фотолитографиялық әдістер SAM-дарды үлгілеуде пайдалы. SAM-дар наноқұрылымдарды орналастыруда да пайдалы, себебі әрбір адсорбат молекуласын екі түрлі материалды тартуға бейімдеуге болады. Қазіргі техникалар бетке, мысалы алтын пластинаға тарту үшін молекуланың бас бөлігін пайдаланады. Содан кейін терминалдық тобы белгілі бір нанобөлшекті, сымды, жолақты немесе басқа наноқұрылымды тарту үшін өзгертіледі. Осылайша, SAM үлгіленген жерде, құйрық топтарына бекітілген наноқұрылымдар болады. Мысалы, екі түрлі SAM-ды қолданып, бір қабырғалы көміртек нанотүтікшелерін (SWNT) туралауға болады. 16-меркаптогексадекано қышқылы (MHA) SAM-ды үлгілеу үшін суға батырып нанолитография қолданылды, ал беттің қалған бөлігі 1-октадекантиол (ODT) SAM-мен пассивтендірілді. SWNT-ні тасымалдайтын полярлы ерітінді гидрофильді MHA-ға тартылады; ерітінді буланып кеткенде, SWNT-лер Ван-дер-Ваальс күштерінің әсерінен MHA SAM-ға жақындап, оған қосылады. Осылайша, нанотүтікшелер MHA-ODT шекарасына сәйкес келеді. Осы әдісті пайдаланып, Чад Миркин, Шац және олардың әріптестері күрделі екі өлшемді пішіндер жасады, жасалған пішіннің мысалы оң жақта көрсетілген. Үлгіленген SAM-дардың тағы бір қолданылуы – биосенсорларды функционалдау. Құйрық топтары жасушаларға, ақуыздарға немесе молекулаларға жақын болу үшін өзгертілуі мүмкін. Бұл SAM-ды биосенсорға орналастыруға болады, сонда осы молекулалардың байланысы анықталады. Бұл SAM-дарды үлгілеу мүмкіндігі, оларды сезімталдықты арттыратын және биосенсордың басқа компоненттеріне зиян келтірмейтін немесе кедергі келтірмейтін конфигурацияларда орналастыруға мүмкіндік береді. Немесе дитиолдарды қолданып, қабаттама-қабаттама SAM нанобөлшектер массивтерін жасауға болады. Дитиолдарды қолдану арқылы осы тақырыпқа толық шолуды Хамуди мен Есаулов жасаған.