Smartere selvsamling åbner nye veje for nanoteknologi

For at fortsætte med at komme videre, næste generations elektroniske enheder skal fuldt ud udnytte nanoskalaen, hvor materialer spænder over blot milliardtedele af en meter. Men afvejning af kompleksitet, præcision, og det er uundgåeligt svært at fremstille skalerbarhed i så fantastisk små skalaer. Heldigvis, nogle nanomaterialer kan lokkes til at snappe sig selv i ønskede formationer - en proces kaldet selvsamling.

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory har netop udviklet en måde at styre selvsamlingen af ​​flere molekylære mønstre i et enkelt materiale, producere nye nanoskala arkitekturer. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Dette er et betydeligt konceptuelt spring i selvsamling, " sagde Brookhaven Lab-fysiker Aaron Stein, hovedforfatter på undersøgelsen. "I fortiden, vi var begrænset til et enkelt opstået mønster, men denne teknik bryder denne barriere med relativ lethed. Dette er vigtigt for grundforskningen, sikkert, men det kan også ændre den måde, vi designer og fremstiller elektronik på."

Mikrochips, for eksempel, bruge omhyggeligt mønstrede skabeloner til at producere de nanoskala strukturer, der behandler og lagrer information. Gennem selvmontering, imidlertid, disse strukturer kan spontant dannes uden det udtømmende foreløbige mønster. Og nu, selvsamling kan generere flere forskellige mønstre - hvilket i høj grad øger kompleksiteten af ​​nanostrukturer, der kan dannes i et enkelt trin.

"Denne teknik passer ganske let ind i eksisterende arbejdsgange til fremstilling af mikrochips, " sagde studiemedforfatter Kevin Yager, også en Brookhaven-fysiker. "Det er spændende at gøre en grundlæggende opdagelse, som en dag kan finde vej til vores computere."

Det eksperimentelle arbejde blev udelukkende udført på Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science brugerfacilitet, udnyttelse af intern ekspertise og instrumentering.

Tilberede organiseret kompleksitet

Samarbejdet brugte blok-copolymerer-kæder af to forskellige molekyler forbundet sammen - på grund af deres iboende evne til selv at samle.

"Så stærk som selvsamling er, vi havde mistanke om, at vejledning af processen ville forbedre den for at skabe en virkelig 'responsiv' selvsamling, " sagde studiemedforfatter Greg Doerk fra Brookhaven. "Det var præcis der, vi skubbede det."

For at guide selvmontering, videnskabsmænd skaber præcise, men enkle substratskabeloner. Ved at bruge en metode kaldet elektronstrålelitografi - Steins specialitet - ætser de mønstre tusindvis af gange tyndere end et menneskehår på skabelonens overflade. De tilføjer derefter en opløsning indeholdende et sæt blokcopolymerer på skabelonen, drej substratet for at skabe en tynd belægning, og "bage" det hele i en ovn for at sparke molekylerne i gang. Termisk energi driver interaktionen mellem blokcopolymererne og skabelonen, indstille den endelige konfiguration - i dette tilfælde, parallelle linjer eller prikker i et gitter.

"Ved konventionel selvmontering, de endelige nanostrukturer følger skabelonens vejledende linjer, men er af en enkelt mønstertype, " sagde Stein. "Men det hele ændrede sig bare."

Linjer og prikker, lever sammen

Samarbejdet havde tidligere opdaget, at blanding af forskellige blokcopolymerer tillod flere, co-eksisterende linje og prik nanostrukturer til at danne.

"Vi havde opdaget et spændende fænomen, men kunne ikke vælge hvilken morfologi der ville dukke op, " sagde Yager. Men så fandt holdet ud af, at justering af substratet ændrede de strukturer, der opstod. Ved blot at justere afstanden og tykkelsen af ​​de litografiske linjemønstre - let at fremstille ved hjælp af moderne værktøjer - kan de selvsamlende blokke lokalt omdannes til ultra - tynde linjer, eller højdensitetsarrays af nano-prikker.

"Vi indså, at kombinationen af ​​vores selvsamlende materialer med nanofabrikerede guider gav os den uhåndgribelige kontrol. Og, selvfølgelig, disse nye geometrier opnås i en utrolig lille skala, sagde Yager.

"I bund og grund sagde Stein, "Vi har skabt 'smarte' skabeloner til selvsamling af nanomaterialer. Hvor langt vi kan skubbe teknikken, er endnu uvist, men det åbner nogle meget lovende veje."

Gwen Wright, en anden CFN medforfatter, tilføjet, "Mange nanofabrikationslaboratorier burde være i stand til at gøre dette i morgen med deres interne værktøjer - tricket var at opdage, at det overhovedet var muligt."

Forskerne planlægger at øge processens sofistikerede, using more complex materials in order to move toward more device-like architectures.

"The ongoing and open collaboration within the CFN made this possible, " said Charles Black, director of the CFN. "We had experts in self-assembly, electron beam lithography, and even electron microscopy to characterize the materials, all under one roof, all pushing the limits of nanoscience."