Polymer nanotråde, der samles i vinkelrette lag, kunne tilbyde vej til mindre chipkomponenter

Siden 1960'erne, computerchips er blevet bygget ved hjælp af en proces kaldet fotolitografi. Men i de sidste fem år, chipfunktioner er blevet mindre end lysets bølgelængde, hvilket har krævet nogle geniale modifikationer af fotolitografiske processer. At opretholde den hastighed af kredsløbsminiaturisering, som vi er kommet til at forvente – som forudsagt af Moores lov – vil i sidste ende kræve nye fremstillingsteknikker.

Blok copolymerer, molekyler, der spontant selv samler sig til nyttige former, er et lovende alternativ til fotolitografi. I et nyt papir i bladet Naturkommunikation , MIT-forskere beskriver den første teknik til at stable lag af blok-copolymer-tråde, således at ledningerne i et lag naturligt orienterer sig vinkelret på dem i laget nedenfor.

Evnen til nemt at producere sådanne "netstrukturer" kunne gøre selvsamling til en meget mere praktisk måde at fremstille hukommelse på, optiske chips, og endda fremtidige generationer af computerprocessorer.

"Der er tidligere arbejde med at fremstille en mesh-struktur - for eksempel vores arbejde, " siger Amir Tavakkoli, en postdoc i MIT's Research Laboratory of Electronics og en af ​​tre første forfattere på det nye papir. "Vi brugte stolper, som vi havde fremstillet ved elektronstrålelitografi, hvilket er tidskrævende. Men her, vi bruger ikke elektronstrålelitografien. Vi bruger det første lag blokcopolymer som skabelon til selv at samle endnu et lag blokcopolymer ovenpå."

Tavakkolis med-førsteforfattere på papiret er Sam Nicaise, en kandidatstuderende i elektroteknik, og Karim Gadelrab, en kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik. Seniorforfatterne er Alfredo Alexander-Katz, Walter Henry Gale lektor i materialevidenskab og -teknik; Caroline Ross, Toyota-professoren i materialevidenskab og -teknik; og Karl Berggren, en professor i elektroteknik.

Ulykkelige par

Polymerer er lange molekyler fremstillet af grundlæggende molekylære enheder spændt i kæder. Plast er polymerer, og det samme er biologiske molekyler som DNA og proteiner. En copolymer er en polymer fremstillet ved at forbinde to forskellige polymerer.

I en blokcopolymer, de indgående polymerer er valgt således, at de er kemisk uforenelige med hinanden. Det er deres forsøg på at skubbe væk fra hinanden – både inden for en enkelt polymerkæde og i en polymerfilm – der får dem til at organisere sig selv.

I MIT-forskernes tilfælde, en af ​​de indgående polymerer er kulstofbaseret, den anden siliciumbaseret. I deres bestræbelser på at undslippe den kulstofbaserede polymer, de siliciumbaserede polymerer foldes ind i sig selv, danner cylindre med løkker af siliciumbaseret polymer på indersiden og den anden polymer, der stritter på ydersiden. Når cylindrene udsættes for et iltplasma, den kulstofbaserede polymer brænder væk og silicium oxiderer, efterlader glaslignende cylindre fastgjort til en base.

For at samle et andet lag cylindre, forskerne gentager simpelthen processen, omend ved brug af copolymerer med lidt forskellige kædelængder. Cylindrene i det nye lag orienterer sig naturligt vinkelret på dem i det første.

Kemisk behandling af overfladen, hvorpå den første gruppe af cylindre er dannet, vil få dem til at stille op i parallelle rækker. I det tilfælde, det andet lag af cylindre vil også danne parallelle rækker, vinkelret på dem i den første.

Men hvis cylindrene i det nederste lag får lov til at danne sig tilfældigt, slingrer sig ud i detaljeret, looping mønstre, cylindrene i det andet lag vil bevare deres relative orientering, at skabe deres egne detaljerede, men vinkelret, mønstre.

Den velordnede maskestruktur er den, der har de mest oplagte anvendelser, men den uordnede er måske den mere imponerende tekniske bedrift. "Det er den, materialeforskerne er begejstrede for, " siger Nicaise.

Hvorfor og hvorfor

Glaslignende ledninger er ikke direkte nyttige til elektroniske applikationer, men det kan være muligt at pode dem med andre typer molekyler, hvilket ville gøre dem elektronisk aktive, eller at bruge dem som en skabelon til deponering af andre materialer. Forskerne håber, at de kan reproducere deres resultater med mere funktionelle polymerer. Til det formål, de skulle teoretisk karakterisere den proces, der gav deres resultater. "Vi bruger computersimuleringer til at forstå nøgleparametrene, der styrer polymerorienteringen, " siger Gadelrab.

Hvad de fandt var, at geometrien af ​​cylindrene i det nederste lag begrænsede de mulige orienteringer af cylindrene i det øverste lag. Hvis væggene på de nederste cylindre er for stejle til at tillade, at de øverste cylindre passer komfortabelt ind, de øverste cylindre vil forsøge at finde en anden orientering.

Det er også vigtigt, at de øvre og nedre lag kun har svage kemiske interaktioner. Ellers, de øverste cylindre vil forsøge at stable sig selv oven på de nederste som træstammer på en bunke.

Begge disse egenskaber - cylindergeometri og kemisk interaktion - kan forudsiges ud fra polymermolekylernes fysik. Så det burde være muligt at identificere andre polymerer, der vil udvise samme adfærd.

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.