Polymerform gør perfekte nanostrukturer af silicium

At bruge forme til at forme ting er lige så gammelt som menneskeheden. I bronzealderen, kobber-tin-legeringen blev smeltet og støbt i våben i keramiske forme. I dag, sprøjtestøbning og ekstrudering støber varme væsker i alt fra bildele til legetøj.

For at dette kan fungere, formen skal være stabil, mens det varme flydende materiale hærder til form. I et gennembrud for nanovidenskab, Cornell -polymeringeniører har lavet en sådan form til nanostrukturer, der kan forme flydende silicium ud af et organisk polymermateriale. Dette baner vejen for perfekt, 3D, enkelt krystal nanostrukturer.

Forskuddet er fra laboratoriet af Uli Wiesner, Spencer T. Olin professor i teknik i Institut for Materialevidenskab og Teknik, hvis laboratorium tidligere har ført til skabelsen af ​​nye materialer fremstillet af organiske polymerer. Med den rigtige kemi, organiske polymerer samler sig selv, og forskerne brugte denne polymers særlige evne til at lave en form, der var oversået med nøjagtigt formede og store nanoporer.

Forskningen er publiceret i Videnskab 3. juli.

Normalt, smeltende amorft silicium, som har en smeltetemperatur på ca. 2, 350 grader, ville ødelægge den sarte polymerform, som nedbrydes ved cirka 600 grader. Men forskerne, i samarbejde med Michael Thompson, lektor i materialevidenskab og teknik, kom uden om dette problem ved at bruge ekstremt korte smelteperioder induceret af en laser.

Forskerne fandt ud af, at polymerformen holder, hvis silicium opvarmes af laserpulser, der kun er nanosekunder lange. På så korte tidsskalaer, silicium kan opvarmes til en væske, men smeltevarigheden er så kort, at polymeren ikke har tid til at oxidere og nedbrydes. De narrede i det væsentlige polymerformen til at beholde sin form ved temperaturer over dets nedbrydningspunkt.

Da formen blev ætset væk, forskerne viste, at silicium havde været perfekt formet af formen. Dette kan føre til at gøre perfekt, nanostrukturer af enkeltkrystal silicium. De har ikke gjort det endnu, men deres Videnskab papir viser, at det er muligt. I et arbejde, der blev offentliggjort i 2010, Wiesner og kolleger viste vejen til denne proces, ved hjælp af en oxidform.

Wiesner kaldte gennembruddet for "smukt" og muligvis en grundlæggende indsigt i at studere nanoskala materialer. Inden for materialevidenskab, målet er altid at få veldefinerede strukturer, der kan studeres uden indblanding fra materielle defekter.

De fleste selvsamlede nanostrukturer i dag er enten amorfe eller polykrystallinske-bestående af mere end et stykke materiale med perfekt orden. Det er svært at bedømme, om deres egenskaber skyldes selve nanostrukturen, eller om de er domineret af defekter i materialet.

Opdagelsen af ​​single-crystal silicium-halvlederen i alle integrerede kredsløb-gjorde den elektroniske revolution mulig. Det tog at skære enkelte krystaller i skiver for virkelig at forstå siliciums halvledende egenskaber. I dag, nanoteknologi tillader utrolig detaljeret nanoskala ætsning, ned til 10 nanometer på en siliciumskive.

Men nanofabrikationsteknikker som fotolitografi, hvor et polymert materiale er skrevet med en struktur, der er ætset i silicium, rammer sine grænser, når det kommer til 3D-strukturer.

Halvledere som silicium samler sig ikke i perfekt ordnede strukturer som polymerer gør. Det er næsten uhørt at få en 3D-struktureret enkeltkrystal af en halvleder. For at lave enkeltkrystal nanostrukturer, der er to muligheder:flere ætsninger eller støbninger. Wiesners gruppe har nu lavet formen.

Den måde, de lavede formen på, var i sig selv et gennembrud. De havde tidligere lært at selvmontere højtordnede, porøse nanomaterialer ved hjælp af specielt strukturerede molekyler kaldet blokcopolymerer.

De brugte først en kuldioxidlaser i Thompsons laboratorium til at "skrive" de nanoporøse materialer på en siliciumskive. En film, centrifugeret på skiven, indeholdt en blokcopolymer, som styrede samlingen af ​​en polymerharpiks. Skriv linjer i filmen med laseren, blokcopolymeren nedbrydes, fungerer som en positiv tone modstand, mens den negative tone harpiks blev efterladt for at danne den porøse nanostruktur. Det blev formen.

"Vi demonstrerede, at vi kan bruge organiske skabeloner med strukturer så komplicerede som en gyroid, en periodisk ordnet kubisk netværksstruktur, og 'præg' det på smeltet silicium, som derefter omdannes til krystallinsk silicium, "Sagde Wiesner.

"At have evnen til at forme arbejdshesten i al elektronik, silicium, i indviklede former er uden fortilfælde, "sagde Andy Lovinger, en programdirektør i materialeforskningsafdelingen ved National Science Foundation, som finansierede Wiesners forskning. "Dette smukke værk viser, hvordan det kunne gøres ved at drage fordel af de unikke designegenskaber, der tilbydes af polymere materialer."

Papiret kaldes "Transient Laser Heating-induced Hierarchical Porous Structures From Block Copolymer Directed Self-Assembly, "og dens første forfatter er Kwan Wee Tan, en tidligere kandidatstuderende i Wiesner Lab.