Environment-Controlled Tethering by Aggregation and Growth of Phosphonic Acid Monolayers on Silicon Oxide

单层 傅里叶变换红外光谱 相对湿度 化学 氧化物 分子 表面改性 化学工程 湿度 从头算 化学反应 物理化学 有机化学 热力学 物理 生物化学 工程类
作者
Abraham Vega,Peter Thissen,Yves J. Chabal
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:28 (21): 8046-8051 被引量:88
标识
DOI:10.1021/la300709n
摘要

Phosphonic acid monolayers are being considered as versatile surface modification agents due to their unique ability to attach to surfaces in different configurations, including mono-, bi-, or even tridentate arrangements. Tethering by aggregation and growth (T-BAG) of octadecylphosphonic acid (ODPA) on silicon oxide surfaces has proven to be a robust method to establish a strong chemical bond. However, it requires a long processing time (> 48 h) that is a substantial drawback for industrial applications. We demonstrate here that the humidity level during processing is the most important parameter controlling the reaction. Using in situ Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), we first show that the initially physisorbed layer obtained upon immersion in ODPA is composed of well-ordered bilayers and only reacts with the SiO(2) surface at 140 °C. Importantly, we show that the presence of water at the interface (determined by the humidity level) greatly influences the reaction time and completion. In humid environments (relative humidity, RH > 40%), there is no reaction, while in dry environments (RH < 16%), the reaction is essentially instantaneous at 140 °C. Ab initio calculations and modeling confirm that the degree of chemical reaction with the surface OH groups depends on the chemical potential (i.e., concentration) of interfacial water molecules. These findings provide a workable modification of the traditional T-BAG method consistent with many industrial applications.
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