Ether auf Si(001): Ein Paradebeispiel für die Gemeinsamkeiten zwischen Oberflächenwissenschaften und organischer Molekülchemie

Abstract

Wir zeigen mit quantenchemischen Methoden, dass sich die Adsorption von Ether‐Molekülen auf Si(001) im Ultrahochvakuum durch klassische Konzepte der organischen Molekülchemie verstehen lässt. Wie unsere detaillierte Analyse zeigt, spiegelt der zweistufige Mechanismus – 1) Ausbildung einer dativen Bindung zwischen dem Sauerstoffatom am Ether und einem Lewis‐sauren Oberflächenatom, 2) nukleophiler Angriff eines nahegelegenen Lewis‐basischen Oberflächenatoms – die säurekatalysierte Etherspaltung in Lösung wider. Zudem ist die dative O‐Si‐Bindung die stärkste ihrer Art und die Reaktivität in Schritt 2 verläuft entgegen dem Bell‐Evans‐Polanyi‐Prinzip. Mithilfe einer neuartigen Methode der Bindungsanalyse wird außerdem die Umverteilung von Elektronendichte während des C‐O‐Bindungsbruchs visualisiert. Hierbei wird deutlich, dass der Mechanismus nukleophiler Substitutionen auf Halbleiteroberflächen identisch zu molekularen S N 2‐Reaktionen ist. Unsere Untersuchungen verdeutlichen, wie die Forschungsfelder der Oberflächenwissenschaften und Molekülchemie voneinander profitieren können und so unerwartete Einblicke ermöglichen.