Bygger elektronik fra bunden

(Phys.org) - Der er næppe et øjeblik i det moderne liv, der ikke involverer elektroniske enheder, om de guider dig til en destination med GPS eller beslutter, hvilke indgående meddelelser der fortjener et bip, ring eller vibration. Men vores forventning om, at den næste indkøbssæson uundgåeligt vil tilbyde en opgradering til mere kraftfulde gadgets, afhænger i høj grad af størrelse-nemlig, industriens evne til at krympe transistorer, så flere kan passe på stadig mindre spånflader.

Ingeniører har været i stand til at elektronisk miniaturisering i årtier nu, og princippet om, at computerindustrien vil være i stand til at gøre det på en regelmæssig plan - som kodificeret i Moores lov - vil ikke komme i tvivl snarest, takket være forskere som University of South Carolina's Chuanbing Tang.

Tang er førende inden for konstruktion af små strukturer nedefra og op, frem for ovenfra og ned. I øjeblikket, moderne elektronik fremstilles primært ved sidstnævnte metode:den glatte overflade af et udgangsmateriale - sig f.eks. en wafer af silicium- ætses gennem mikro- eller nanolithografi for at etablere et mønster på den.

Top-down-metoden kan indebære en præfabrikeret skabelon, såsom en fotomask, at etablere mønsteret. Men tilgangen bliver mere og mere udfordrende, fordi det bliver ekstremt dyrt at reducere størrelsen på funktionerne på de nødvendige skabeloner, da ingeniører arbejder sig længere ned i nanoskalaen. "At gå fra 500 til sub-30 nanometer er omkostningsoverkommeligt for storstilet produktion, "sagde Tang, en adjunkt i afdelingen for kemi og biokemi i USC's College of Arts and Sciences.

Som kemiker, Tang bruger en bottom-up tilgang:han arbejder med de enkelte molekyler, der går på en overflade, lokke dem til selv at indrette sig i de nødvendige mønstre. En etableret metode til at gøre dette involverer blokcopolymerer, hvor en polymerkæde består af to eller flere sektioner af forskellige polymeriserede monomerer.

Hvis de forskellige blokpartier er korrekt udformet, blokkene vil selvaggregere, når de placeres på en overflade, og aggregeringen kan udnyttes til at skabe ønskelige mønstre på nanoskalaen uden behov for skabeloner. Di-blok-copolymerer af poly (ethylenoxid) og polystyren, for eksempel, er blevet brugt til at konstruere højtordnede arrays af vinkelrette cylindre af nanoskala materialer. Fordampning af opløsningsmiddel, eller glødning, af disse polymerer på overflader udøver et eksternt retningsfelt, der kan forbedre mønsterprocessen og skabe næsten fejlfrie arrays.

Tangs laboratorium udgav netop et papir til den særlige "Emerging Investigators 2013" -udgave af tidsskriftet Kemisk kommunikation der tager denne metode til et nyt niveau. Arbejder sammen med kandidatstuderende Christopher Hardy, Tang ledede et team, der fremstillede nanopartikler af ren, krystallinsk jernoxid med kontrolleret størrelse og afstand på siliciumplader ved kovalent at inkorporere en ferrocendel i en tri-blok-copolymer.

At inkorporere metaller i nanoskala design er afgørende for fremstilling af elektroniske enheder, og Tangs metode er et skridt fremad for feltet. Fordi ferrocen er kovalent bundet til blokcopolymeren, der er ikke behov for et komplekseringstrin for at tilføje en metalholdig forbindelse til overfladen-et belastende krav for de fleste tidligere metoder. I øvrigt, deres teknik er et skridt ud over relaterede polymersystemer, der indeholder kovalente ferrocenylsilanbindinger, hvor fjernelse af de organiske komponenter efterlader siliciumoxid som en urenhed i metaloxidet.

Teknikken er en lovende tilføjelse til de tilgængelige værktøjer til at imødegå det kroniske behov for at formindske størrelsen af ​​elektroniske komponenter. "Industrien vil ikke erstatte top-down-metoder, "Tang sagde, "men de planlægger snart at bruge bottom-up sammen med de eksisterende top-down-metoder."

Der er også alsidighed i teknikken. "Her bruger vi en ferrocenholdig polymer, som vi omdanner til det uorganiske jernoxid. Men hvis vi udskifter ferrocenen i polymeren med carbon precursor, vi kunne lave en vinkelret carbon nanorod, som ville have en masse potentielle anvendelser, "Sagde Tang." Eller vi kan inkorporere en halvledende polymer, som polythiophen, hvilket ville være meget nyttigt i solcelle applikationer. "