Syntesemetode udvider materielle muligheder

Siden civilisationens begyndelse, mennesker har udnyttet nye materialer til at forbedre deres liv, fra forhistorisk stenalder, Bronzealder, og jernalder til den moderne siliciumalder. Med hver periode kom teknologiske gennembrud, der ændrede den måde, vi lever på. Overvej 1961 -opfindelsen af ​​siliciumchippen, som banede vejen for den digitale revolution. Uden denne lille elektroniske komponent, vi ville ikke have bærbare computere eller mobiltelefoner.

At tackle nutidens udfordringer vil ligeledes kræve materielle fremskridt. For eksempel, hvordan laver vi solpaneler, der omdanner sollys til elektricitet mere effektivt? Batterier der holder længere? Stadig mindre elektroniske enheder? Forskere søger løsninger på netop disse spørgsmål gennem materialevidenskab og teknik. De forbedrer både ydeevnen af ​​eksisterende materialer og skaber helt nye materialer med enestående egenskaber.

I løbet af det seneste årti, forskere ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) ved US Department of Energy (DOE)'s Brookhaven National Laboratory har etableret sig som ledere på dette område. I særdeleshed, de udvikler en ny metode til fremstilling af materialer:infiltrationssyntese.

Som navnet antyder, infiltrationssyntese involverer infiltration, eller infusion, et materiale til et andet. Ved at infundere et uorganisk (ikke-kulstofholdigt) materiale i et organisk (kulstofholdigt) materiale, man kan generere et "hybrid" materiale med egenskaber, der ikke ses i nogen af ​​udgangskomponenterne. Den organiske art kan være polymertynde film, polymerer mønstret i en bestemt geometrisk form ved hjælp af en lyskilde eller elektronstråle (en teknik kendt som litografi), polymerer selvsamlet af to eller flere kemisk adskilte "blokke" (blokcopolymer), eller endda selvsamlede DNA-strukturer. Infiltration sker, når den organiske matrix udsættes for uorganisk-holdig gas eller flydende forstadier (udgangsmaterialer) i en skiftende rækkefølge.

Ved at placere hybridmaterialet under iltplasma (en elektrisk ladet gas) eller i et iltmiljø med høj temperatur, forskere kan også selektivt fjerne den organiske komponent. Den uorganiske del forbliver tilbage og arver det organiske "skabelon"-mønster, hvilket er nyttigt til at skabe uorganiske nanostrukturer og integrere dem i elektroniske enheder.

"Konventionelle rene kemi-baserede tilgange som kemisk syntese er komplekse, " forklarede Chang-Yong Nam, en videnskabsmand i CFN Electronic Nanomaterials Group, der leder forskningen i infiltrationssyntese. "Der er ingen garanti for, at du ender med de egenskaber, du målrettede mod. Og at skabe meget små funktioner - som er vigtige for at lave elektroniske enheder - er svært. Infiltrationssyntese løser disse spørgsmål, og de nødvendige værktøjer er let tilgængelige i enhver nanofabrikation."

Nam, CFN -kolleger, og eksterne samarbejdspartnere har demonstreret, hvordan infiltrationssyntese kan bruges til at skabe et væld af nye funktionelle materialer, muliggør en bred vifte af applikationer.

I 2015, de brugte infiltrationssyntese og litografi til at mønstre uorganiske nanotråde - trådformede strukturer med en bredde i størrelsesordenen milliardtedele af en meter - til en transistor. Denne undersøgelse var den første, der viste, at teknikken kunne bruges til at mønstre en elektronisk enhed. Ved at udvide dette indledende koncept, de lavede arrays af perfekt afstemte nanotråde til meget følsomme fotodetektorer af ultraviolet (UV) lys. For at øge følsomheden yderligere, de konverterede stablede selvsamlende blokcopolymermønstre til en 3D "nanomesh" arkitektur. Det store overfladeareal og porerne muliggjort af denne 3D lagdelte geometri gjorde det muligt at placere mange flere nanotrådsfølende elementer.

Denne kombination af blokcopolymer-selvsamling og infiltrationssyntese har også muliggjort forskellige innovationer fra andre forskerhold på CFN. For eksempel, et hold brugte teknikken til at strukturere overfladen af ​​siliciumsolceller med kegleformede nanostrukturer. Lignende bittesmå strukturer dækker møløjne for at forhindre lysrefleksion, og forskerne demonstrerede denne antireflekterende effekt i de nanoteksturerede solceller, samt på "usynlige glas" overflader. Når lys rammer en solcelle, du ønsker at minimere refleksion (eller alternativt, maksimere absorption), så solenergien effektivt kan omdannes til elektricitet. Og til skærme på computere, mobiltelefoner, og anden elektronik, du ønsker at eliminere lysrefleksion for at forhindre blænding.

Efter disse undersøgelser af uorganiske materialer, forskerne begyndte at udforske egenskaberne af hybride organisk-uorganiske materialer, også genereret af infiltrationssyntese. For eksempel, de skabte hybrid "nanopillars", der udviser både den høje styrke af et metal og den lave stivhed af skum. Med denne sjældne kombination af mekaniske egenskaber, materialet kan lagre og frigive en hidtil uset mængde elastisk energi, gør den nyttig til enheder, der kræver ultrasmå fjedre, håndtag, eller motorer – såsom accelerometre, resonatorer, og biosyntetiske kunstige muskler.

Forskerne viste også, hvordan hybrider kan tjene som optiske belægninger, der reflekterer specifikke bølgelængder af lys; meget følsomme ilt- og vandsensorer; fotoresister til overførsel af ultralave funktioner til silicium til næste generations mikroelektronik; all-around belægninger på individuelle nanopartikler til cellemærkning og sporing i biologisk billeddannelse; og kontrastmidler til at visualisere den komplekse geometri af 3D-blokcopolymerer.

"Det fantastiske ved infiltrationssyntese er tunbarheden, " sagde Kevin Yager, leder af CFN Electronic Nanomaterials Group. "Du kan meget præcist ringe til de ønskede materialegenskaber ved at vælge den rigtige infiltrant og det rigtige lastniveau. Dette lader dig målrette mod et stort udvalg af applikationer og optimere materialet til hver specifik opgave."

For nylig, forskerne har undersøgt deres hybridresists egnethed til ekstrem UV (EUV) litografi. Halvlederteknologivirksomheder bruger denne nye teknik til at krympe transistorer-byggestenene i elektroniske komponenter som centrale processorenheder (CPU'er) og tilfældig adgangshukommelse (RAM)-under fem nanometer. Reduktion af funktionsdimensioner vil muliggøre fremstilling af elektroniske enheder med øgede behandlingshastigheder og lavere strømforbrug. På trods af løftet om EUV-litografi, der er flere udfordringer tilbage, herunder behovet for højfølsomme resists.

"EUV-litografi kræver resists, der kan absorbere en høj mængde EUV-lys, og organiske materialer mangler typisk denne kapacitet, " forklarede Nam. "Infiltration af en uorganisk art i den organiske komponent kan forbedre absorptionsevnen."

Selvom mange grupper nu udvikler modstandsteknologier, en grundlæggende forståelse af infiltrationskemien og EUV-eksponeringsprocessen i resists mangler. Nam og hans team er begyndt at studere denne mekanisme i deres hybridresistenter gennem elektronstråle-litografi og lavenergi-elektronmikroskopi ved CFN- og røntgenspredning og absorptionsspektroskopi ved Soft Matter Interfaces (SMI) og spektroskopi Soft and Tender (STT ) beamlines af Brookhaven's National Synchrotron Light Source II. They are also exploring the EUV exposure characteristics and patterning performance of the hybrid resists at the Microfield Exposure Tool (MET) beamline—a private EUV beamline sponsored by leading semiconductor companies, including Intel Corporation and Samsung Electronics—of Lawrence Berkeley National Lab's Advanced Light Source. Their preliminary results provided important feedback on how to optimize the infiltration chemistry and method for enhanced EUV sensitivity.

The team is also making a hybrid-based neuromorphic switching device, which models the way the brain computes and transmits information. In initial demonstrations, their hybrid structure showed potential in mimicking the action of brain synapses, or the connections between neurons. They also found that the hybridization significantly reduced device-to-device performance variability, which is critical for creating practical, large-scale neuromorphic device arrays. Such brain-inspired computing would offer significant leaps in energy efficiency and processing speed for artificial intelligence tasks such as learning, searching, and sensing.

"Moving forward, there's still a lot we can do with infiltration synthesis, " said Nam. "We're excited to continue exploring its diverse applications for next-generation micro- and nanoelectronics and energy technologies, with the hope of contributing to the transformation of our future society."