Endbericht deutsch

Polymere haben in den letzten 100 Jahren unser Leben dramatisch verändert. In Form von Kunststoffen sind sie heute praktisch allgegenwärtig. Während man typischerweise unter Polymeren Ketten aus Kohlenstoff versteht, gibt es jedoch auch Polymere aus anderen Elementen wie etwa Silicium oder Germanium. Silicium ist auf der anderen Seite ebenso omni-präsent wie Plastik, nur dass Silicium die Grundlage der modernen Elektronik darstellt. Im Zuge der rasant voranschreitenden Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise sind nun polymere Ketten aus Silicium mit organischen Resten, sogenannte Polysilane ein interessantes Forschungsgebiet für die Entwicklung molekularer elektronischer Schaltungen. Die Anordnung der Atome in Silicium in kristalliner Form (wie es für elektronische Zwecke verwendet wird) erfolgt im Diamantgitter. Da diese räumliche Orientierung für die Leitung von Elektronen wichtig ist, muss ein Ansatz festes Silicium durch molekulare Ketten aus Silicium zu ersetzen diese Ausrichtung der Moleküle im Raum berücksichtigen. Dementsprechend sind Synthesen von Polysilanen auch unter diesem Aspekt zu betrachten. Im Rahmen des Projekts Molekulare Untereinheiten der Siliciumkristallstruktur wurden Methoden untersucht, ausgewählte Ausschnitte aus der Siliciumkristallstruktur herzustellen und deren Eigenschaften zu untersuchen. Dabei wurde insbesondere eine katalytische Reaktion studiert, die es Polysilanen gestattet die Anordnung ihrer Atome so umzulagern, dass ein möglichst stabiles Molekül entsteht. Diese Stabilität ist insbesondere gegeben, wenn das Molekül eine Anordnung einnehmen kann, die jener im elementaren Siliciumkristall ähnlich ist. Eine Substanzklasse bei der dies der Fall ist, ist jene der Adamantane. Durch die angesprochene Umlagerungsreaktion gelang nun erstmalig die Synthese eines Polysilanadamantans. Eine weitere Besonderheit der untersuchten Umlagerungsreaktion, die bisher nicht bekannt war, ist die Bildung von ringförmigen Molekülen unter Abspaltung eines Molekülfragments. Da cyclische Moleküle in ihrer intramolekularen Beweglichkeit eingeschränkt sind, ist die räumliche Fixierung der Atome stärker als in kettenförmigen Molekülen. Germanium ist ebenfalls ein wichtiges Halbleiterelement. Im Rahmen des Projekts wurden einzelne Germaniumatome in Polysilane eingebracht und das Verhalten dieser Atome im Umlagerungsprozess untersucht. Dabei zeigte es sich, dass die Germaniumatome sich selektiv mit Silicium- oder gegebenenfalls anderen Germaniumatomen umgeben und Bindungen zu Kohlenstoff vermeiden. Diese Reaktion erlaubt es gezielt Ketten aus Germaniumatomen aufzubauen, welche eine Siliciumoberfläche besitzen. In Zusammenarbeit mit einer irischen Forschungsgruppe (Dr. Justin Holmes) wurden Möglichkeiten untersucht,s aus den Germanium enthaltenden Polysilanen Nanodrähte aus einer Silicium-Germaniumlegierung zu erhalten. Unerwarteterweise wurden jedoch Nanodrähte mit einem kristallinen Germaniumkern umhüllt mit amorphem Siliciumoxid erhalten. Materialien dieser Art sind als Bauteile für neuartige elektronische Bauteile von hohem Interesse.

Endbericht englisch

Polymers have played an important role in our lives over the last 100 years. As synthetic materials they are ubiquitously present. While the typical conception about polymers is that they consist of chains of carbon, there are also polymers known, which consist of other elements such as silicon or germanium. Silicon itself is also omnipresent nowadays as it serves as the basic material for contemporary electronics. In the course of the rapid miniaturization of electronic devices, polymeric chains of silicon with organic residues, so called polysilanes are an interesting research area, for the development of molecule-based electronics. The arrangement of atoms in crystalline silicon (as it is used for electronic purposes) follows a diamond lattice. As the spatial orientation in the solid state is important for the conduction of electrons, it also needs to be considered in an attempt to substitute solid state silicon with polymeric chains of silicon atoms. Accordingly, synthetic efforts to prepare polysilanes need to take this into consideration. The project Molecular Substructures of the Silicon Crystal Lattice was on one hand concerned with methods for the synthesis of selected sections of solid state silicon and on the other hand with the study of the properties of these molecules. The synthetic focus was put on a catalytic reaction which allows polysilanes to rearrange the position of the silicon atoms within the molecule to obtain a more stable structure. This increased stability often correlates with an orientation which is similar to that in the silicon crystal lattice. A class of compounds where the scaffold atom arrangement resembles the diamond lattice is that of the adamantanes. The catalytic mentioned reaction now could convert a suitable precursor to the first known example of a polysilane-adamantane molecule. Another distinct feature of the studied rearrangement reaction, which was not know so far, is its ability to promote cyclization of the molecule with concurrent elimination of a molecule fragment. As cyclic molecules are more restricted in their intramolecular motion, the spatial immobilization of the atoms is stronger than in chain-type molecules. As germanium is another important semiconductor element attempts were made to introduce germanium atoms into polysilanes and the rearrangement behaviour of the obtained molecules was studied. It was shown that germanium atoms move into positions, where they are mainly surrounded by silicon or other germanium atoms and avoid bonds to carbon. This reaction behaviour allows the directed synthesis of chains consisting of germanium atoms with a silicon surface. In cooperation with an Irish research group (Dr Justin Holmes) the possibilities of obtaining nano-wires of a silicon-germanium alloy from our germylated polysilanes were studied. Quite unexpected nano-wires with a crystalline germanium core- and an amorphous silicon-oxide shell were formed. Such hetero core-shell structures are of high interest for the development of novel electronic circuitry.