Введение
Самосборные монослои (SAM) органических молекул представляют собой молекулярные структуры, которые спонтанно формируются на поверхностях посредством адсорбции и организуются в более или менее обширные упорядоченные области. В некоторых случаях молекулы, формирующие монослой, слабо взаимодействуют с подложкой. Это справедливо, например, для двухмерных супрамолекулярных сетей, таких как периленететракарбоксиловый диангидрид (PTCDA) на золоте или порфиринов на высокоориентированном пиролитическом графите (HOPG). В других случаях молекулы содержат головную группу, обладающую сильным сродством к подложке и закрепляющую молекулу на ней. Структура такого SAM, состоящего из головной группы, «хвоста» и функциональной концевой группы, представлена на рисунке 1. К распространенным головным группам относятся тиолы, силаны, фосфонаты и т.д. SAM создаются путем химисорбции «головных групп» на подложку из газовой или жидкой фазы, за которой следует медленная организация «хвостовых групп». Изначально, при низкой плотности молекул на поверхности, адсорбированные молекулы образуют либо неупорядоченную массу, либо упорядоченную двумерную «лежачую фазу». «Головные группы» собираются на подложке, а «хвостовые группы» ориентируются от нее. Области плотно упакованных молекул зарождаются и растут, пока поверхность подложки не будет покрыта единым монослоем. Молекулы адсорбируются легко, поскольку они снижают поверхностную свободную энергию подложки. «Головная группа» на основе трихлоросилана, например, в молекуле FDTS, реагирует с гидроксильной группой на подложке и образует очень стабильную ковалентную связь [RSi-O-подложка] с энергией 452 кДж/моль. Связи металл-тиол имеют энергию порядка 100 кДж/моль, что делает их достаточно стабильными при различных температурах, растворителях и потенциалах. Подходящая подложка выбирается для реакции с головной группой. Подложками могут быть плоские поверхности, такие как кремний и металлы, или изогнутые поверхности, такие как наночастицы. Алканетиолы являются наиболее часто используемыми молекулами для создания SAM. Алканетиолы – это молекулы с алкильной цепью (C-C)ⁿ в качестве основной структуры, «хвостовой группой» и головной группой SH. Другие интересные молекулы включают ароматические тиолы, представляющие интерес для молекулярной электроники, в которых алкановая цепь (частично) заменена ароматическими кольцами. Примером является дитиол 1,4-бензендиметанэтиол (SHCH₂C₆H₄CH₂SH). Интерес к таким дитиолам обусловлен возможностью соединения двух серных концов с металлическими контактами, что впервые было использовано в измерениях молекулярной проводимости. Тиолы часто используются на подложках из благородных металлов из-за сильного сродства серы к этим металлам. Взаимодействие серы и золота носит полуковалентный характер и имеет прочность около 45 ккал/моль. Кроме того, золото – инертный и биосовместимый материал, который легко получить. Его также легко структурировать с помощью литографии, что является полезным свойством для применений в наноэлектромеханических системах (NEMS). Ведутся поиски различных характеристик связывания с подложками, влияющих на свойства SAM и представляющих интерес для некоторых применений, таких как молекулярная электроника. Силаны обычно используются на неметаллических оксидных поверхностях; эта обратимость является причиной образования вакансионных островков, и именно поэтому SAM алканетиолатов могут быть термически десорбированы и подвергаться обмену со свободными тиолами.
Подготовка
Металлические подложки для использования в САМ могут быть получены методами физического осаждения из паровой фазы, электроосаждения или безэлектрохимического осаждения. САМ алканетиолатов формируются в течение нескольких минут. В некоторых случаях, таких как дитиольные САМ, требуется особое внимание, чтобы избежать проблем, связанных с окислением или фотоиндуцированными процессами, которые могут повлиять на концевые группы и привести к дезорганизации и образованию многослойных структур. В этих случаях критически важен правильный выбор растворителей, их дегазация инертными газами и подготовка в отсутствие света. В случаях, когда получение упорядоченной сборки затруднено или необходимо получить фазы с различной плотностью, используется замещающая самосборка. В этом методе сначала формируется САМ из определенного типа молекул, обеспечивающих упорядоченную сборку, а затем проводится вторая фаза сборки (например, путем погружения в другой раствор). Этот метод также использовался для получения информации об относительной прочности связывания САМ с различными головными группами и, в более общем смысле, о характеристиках самосборки.
Характеристика
Толщину SAM можно измерить с помощью эллипсометрии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), которые также предоставляют информацию о свойствах межфазной области. Порядок в SAM и ориентация молекул могут быть изучены методами спектроскопии тонкой структуры поглощения рентгеновского излучения на краю (NEXAFS) и инфракрасной спектроскопии преобразования Фурье в режиме отраженного поглощения (RAIRS), а также спектроскопией потерь энергии электронов высокого разрешения (HREELS). Структуры SAM обычно определяют с использованием методов сканирующей зондовой микроскопии, таких как атомно-силовая микроскопия (AFM) и сканирующая туннельная микроскопия (STM). STM позволила понять механизмы формирования SAM и определить важные структурные особенности, обеспечивающие целостность SAM как поверхностно-стабильных образований. В частности, STM позволяет визуализировать форму, пространственное распределение, концевые группы и структуру их упаковки. AFM представляет собой столь же мощный инструмент, не требующий, чтобы SAM был проводящим или полупроводниковым. AFM использовалась для определения химической функциональности, проводимости, магнитных свойств, поверхностного заряда и сил трения SAM. Техника сканирующего вибрирующего электрода (SVET) является еще одним методом сканирующей зондовой микроскопии, который применяется для характеристики SAM, при этом дефектные SAM демонстрируют однородную активность в SVET. Однако в последнее время также стали использоваться дифракционные методы.
2. локально удалить
Стратегия локального удаления начинается с покрытия всей поверхности самоорганизующейся мономолекулярной пленкой (SAM). Затем отдельные молекулы SAM удаляются из мест, где осаждение наноструктур нежелательно. Результат тот же, что и в стратегии локального привлечения, разница заключается в способе его достижения. Основные методы, использующие эту стратегию, включают: возможность принимать различные материалы или обладать различными свойствами, отличными от терминальной группы исходной SAM. Основные методы, использующие эту стратегию, – химическая стойкость, биосовместимость, сенсибилизация и молекулярное распознавание для датчиков и нанопроизводства. Они могут служить для защиты металлов от агрессивных химических веществ и травителей. SAM также могут снизить адгезию компонентов NEMS и MEMS во влажной среде. Аналогичным образом, SAM могут изменять свойства стекла. Распространенный бытовой продукт Rain X использует SAM для создания гидрофобного монослоя на лобовых стеклах автомобилей, чтобы сохранять их прозрачными в дождливую погоду. Другое применение – антиадгезионное покрытие на инструментах и штампах для наноимпринтной литографии (NIL). Инструменты для литья под давлением полимеров также можно покрыть самоорганизующейся мономолекулярной пленкой перфлуородецилтрихлорсилана. Тонкопленочные SAM также могут быть нанесены на наноструктуры, тем самым функционализируя их. Это выгодно, поскольку наноструктура теперь может избирательно присоединяться к другим молекулам или SAM. Этот метод полезен в биосенсорах или других устройствах MEMS, которым необходимо отделять один тип молекулы от окружающей среды. Примером является использование магнитных наночастиц для удаления грибка из кровотока. Наночастица покрыта SAM, который связывается с грибком. Когда загрязненная кровь фильтруется через устройство MEMS, магнитные наночастицы вводятся в кровь, где они связываются с грибком, а затем под воздействием магнитного поля выводятся из кровотока в соседний ламинарный поток отходов.
СМУ с рисунком
Фотолитографические методы полезны для создания рисунков на самособирающихся монослоях (САМ). САМ также полезны для осаждения наноструктур, поскольку каждую молекулу адсорбата можно настроить для притяжения двух различных материалов. Современные методы используют головную группу для притяжения к поверхности, например, к пластине из золота. Затем терминальная группа модифицируется для притяжения конкретного материала, такого как определенная наночастица, проволока, лента или другая наноструктура. Таким образом, везде, где САМ сформирован на поверхности, наноструктуры будут прикреплены к хвостовым группам. Одним из примеров является использование двух типов САМ для выравнивания одностенных углеродных нанотрубок (SWNT). Нанолитография с использованием дип-пена была использована для создания рисунка из 16-меркаптогексадекановой кислоты (MHA) САМ, а остальная часть поверхности была пассивирована 1-октадекантиолом (ODT) САМ. Полярный растворитель, переносящий SWNT, притягивается к гидрофильной MHA; по мере испарения растворителя SWNT оказываются достаточно близко к MHA САМ, чтобы присоединиться к нему благодаря силам Ван-дер-Ваальса. Таким образом, нанотрубки выстраиваются вдоль границы MHA-ODT. Используя эту технику, Чад Миркин, Шац и их коллеги смогли создавать сложные двухмерные формы, пример созданной формы показан справа. Другое применение структурированных САМ – функционализация биосенсоров. Хвостовые группы могут быть модифицированы таким образом, чтобы они имели сродство к клеткам, белкам или молекулам. Затем САМ можно поместить на биосенсор для обнаружения связывания этих молекул. Возможность создания рисунков на этих САМ позволяет размещать их в конфигурациях, которые повышают чувствительность и не повреждают и не мешают другим компонентам биосенсора, или создавать послойные массивы наночастиц САМ с использованием дитиолов. Подробный обзор этой темы с использованием дитиолов представлен Хамуди и Эсауловым.