3-D selvsamlende strukturer kan føre til nye mikrochips, andre enheder (med video)

Forskere ved MIT har fundet en ny måde at lave komplekse tredimensionelle strukturer på ved hjælp af selvsamlende polymermaterialer, der danner bittesmå ledninger og kryds. Værket har potentialet til at indlede en ny generation af mikrochips og andre enheder, der består af submikroskopiske funktioner.

Selvom lignende selvsamlende strukturer med meget fine tråde er blevet produceret før, det er første gang, strukturerne er blevet udvidet til tre dimensioner med forskellige, uafhængige konfigurationer på forskellige lag, siger forskerne. Forskningen er offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Videnskab .

Caroline Ross, Toyota-professor i materialevidenskab og -teknik ved MIT, siger, at der har været "meget interesse" blandt halvlederforskere for at finde måder at producere chipfunktioner på, der er meget smallere end lysets bølgelængde - og dermed smallere end hvad der kan opnås ved hjælp af nuværende lysbaserede fremstillingssystemer. Selvsamling baseret på polymerer har været et aktivt forskningsområde, Ross siger, men "det, vi gjorde i dette papir, var at skubbe det ind i den tredje dimension."

Hun og hendes kolleger begyndte med at skabe en række små pæle på et underlag af silicium; de coatede derefter overfladen med materialer kaldet blokcopolymerer, som har en naturlig tendens til at samle sig i lange cylindriske strukturer. Ved omhyggeligt at kontrollere den indledende afstand mellem stolperne, Ross forklarer, forskerne var i stand til at indstille afstanden, vinkler, bøjninger og samlinger af cylindrene, der dannes på overfladen. Hvad mere er, hun siger, "Hvert af de to lag af cylindre kan styres uafhængigt ved hjælp af disse stolper, ” gør det muligt at skabe komplekse 3D-konfigurationer.

Amir Tavakkoli, en gæstende kandidatstuderende fra National University of Singapore og hovedforfatter af Videnskab papir, siger, at mange forskere har forsøgt at producere komplekse arrangementer af nanoskala ledninger gennem selvsamling. Men tidligere forsøg brugte komplekse processer med mange trin, og havde undladt at kontrollere de resulterende konfigurationer godt. Det nye system er enklere, Tavakkoli siger, og "styrede ikke kun justeringen af ​​ledningerne, men viste, at vi endda kan have skarpe sving og kryds” på præcist bestemte steder.

"Det forventedes ikke at være muligt, ” siger MIT kandidatstuderende Kevin Gotrik. "Det var et overraskende resultat. Vi faldt over det, og så skulle man finde ud af, hvordan det fungerer.”

Der var en række barrierer at overvinde for at gøre systemet praktisk, siger Gotrik. For eksempel, stolperne fremstillet på overfladen er nøglen til at kontrollere hele selvsamlingsprocessen, men de skal være en del højere end de er brede, hvilket kunne få nogle til at vælte; MIT-teamet fandt i sidste ende materialer og former, der ville være stabile. "Vi undersøgte en bred vifte af forhold, ” siger Gotrik.

Kandidatstuderende Adam Hannon siger, at holdet brugte computersimuleringer af strukturerne for at udforske virkningerne af forskellige postkonfigurationer på dobbeltlags 3D-strukturen. Disse simuleringer blev sammenlignet med de mest lovende strukturer observeret i laboratoriet for at få større indsigt i, hvordan man kontrollerer de resulterende strukturer, der dannes.

Indtil nu, MIT-teamet har kun produceret to-lags konfigurationer, men Alfredo Alexander-Katz, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik, siger, "Jeg tror, ​​det ville være muligt at gå til tre lag", mens du stadig bevarer fuld kontrol over arrangementet af strukturer på hvert lag.

En vigtig muliggørende teknologi var MIT-laboratoriets kapacitet, ved hjælp af elektronstrålelitografi, at lave 10 nanometer brede cylindriske stolper med præcist kontrolleret positionering. Disse indlæg, på tur, guide placeringen af ​​de selvsamlende cylindre. Karl Berggren, en lektor i elektroteknik, siger, at det er, som om litografien sætter en række søjler ned, og disse søjler styrer så komplekset, ruteføring på flere niveauer af krydsende motorveje.

I tidligere arbejde, MIT-forskerne havde demonstreret, at denne selvsamlingsmetode kunne bruges til at skabe ledninger, der er meget finere end dem, der kan laves med eksisterende fotolitografiteknikker til fremstilling af mikrochips - og dermed hjælpe med at lede vejen til næste generations enheder, der pakker endnu mere ledninger og transistorer ind i et givet område af siliciumchipmateriale. "I princippet dette er skalerbart til ret små dimensioner, " siger Ross, langt mindre end 15 nanometer bredden af ​​de hidtil producerede cylindre - hvilket allerede er mindre end halvdelen af ​​bredden af ​​de fineste ledninger i eksisterende mikrochips.

De involverede grundlæggende teknologier er kompatible med eksisterende produktionsudstyr i halvlederindustrien, siger forskerne. Men dette er grundforskning, der sandsynligvis stadig er langt fra egentlig spånproduktion, de advarer. Inden for det næste år håber holdet at bruge denne metode til at producere en simpel elektronisk enhed.

Teknikken er ikke begrænset til at producere ledninger på en siliciumchip, siger Ross og hendes kolleger. Den samme metode kunne bruges til at skabe 3-D-arrays af andre slags materialer - såsom proteiner eller DNA-molekyler, for eksempel — for at skabe biologiske detektorer eller systemer til udlevering af lægemidler.

Craig Hawker, en professor i kemi og biokemi ved University of California i Santa Barbara, siger, at dette er en "vidtgående konstatering, ”, som ”rager langt for at opfylde kravene i den internationale teknologikøreplan for halvledere, hvilket kræver en robust, kommercielt levedygtig nanomønsterteknik."

Hawker tilføjer, "Denne tilgangs robusthed og kraft kan også føre til anvendelser uden for litografi og mikroelektronik, med indvirkning på vandrensning, membraner og organiske solceller." Han siger, at dette arbejde er "et spektakulært eksempel på tværfagligt arbejde, med fremskridt inden for kemi, fysik og nanoteknologi sømløst kombineret for at løse et kritisk teknologisk og vigtigt samfundsproblem."

Arbejdet blev støttet af Semiconductor Research Corporation, FENA Center, Nanoelectronics Research Initiative, Singapore-MIT Alliancen, National Science Foundation, Tokyo Electron og Taiwan Semiconductor Manufacturing Company.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.