En ny klasse af materialer til mønstre i nanoskala

De mikroskopiske komponenter, der udgør computerchips, skal laves i svimlende skalaer. Med milliarder af transistorer i en enkelt processor, hver lavet af flere materialer omhyggeligt arrangeret i mønstre så tynde som en DNA-streng, skal deres fremstillingsværktøjer også fungere på molekylært niveau.

Disse værktøjer involverer typisk brug af stencils til selektivt at mønstre eller fjerne materialer med høj kvalitet, lag efter lag, for at danne elektroniske enheder i nanoskala. Men da chips skal passe til flere og flere komponenter for at holde trit med den digitale verdens voksende beregningskrav, skal disse nanomønstrede stencils også blive mindre og mere præcise.

Nu har et team af Penn Engineers demonstreret, hvordan en ny klasse af polymerer kunne gøre netop det. I en ny undersøgelse demonstrerede forskerne, hvordan "multiblok"-copolymerer kan producere exceptionelt ordnede mønstre i tynde film og opnå mellemrum mindre end tre nanometer.

Holdet, ledet af Karen Winey, Harold Pender-professor i afdelingerne for materialevidenskab og ingeniørvidenskab og kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab, og Jinseok Park, en kandidatstuderende i hendes laboratorium, offentliggjorde disse resultater i tidsskriftet ACS Central Science i> . De samarbejdede med Anne Staiger og professor Stefan Mecking fra universitetet i Konstanz, Tyskland.

De stencils, der bruges til at fremstille chips, har mønstre i nanoskala, der kan fremstilles ved en række forskellige metoder. For eksempel kan fine linjer og små prikker fremstilles ved en teknik kendt som directed self assembly (DSA), hvor polymerkemien er designet sådan, at den automatisk producerer den ønskede geometri.

Nuværende DSA-metoder bruger "diblok"-copolymerer, opkaldt efter at have to lange blokke af forskellige polymerer bundet ende mod ende, som derefter samles for at producere de nødvendige mønstre.

"Når fotolitografi ikke kunne blive mindre, blev DSA med diblok-copolymerer vigtig," siger Winey. "Men at få de linjer eller prikker, du har brug for til nanomønster, kræver, at begge blokke har specifikke længder, og det er stadig noget, der er svært at kontrollere præcist."

Uden det korrekte længdeforhold danner blokkene i en diblok-copolymer linjer eller prikker med en vis variation i deres dimensioner, hvilket mindsker deres anvendelighed som stencils.

Sammen udtænkte forskerne fra Penn og Konstanz en måde at kontrollere dette forhold mere præcist på. I stedet for at klæbe to store blokke af forskellige polymerer ende mod ende, bruger de en teknik kendt som "trinvis vækstpolymerisation" til perfekt at veksle mellem to mindre blokke.

"Sammenlignet med diblok," siger Winey, "byder disse multiblok-copolymerer et bredere udvalg af kemi og større molekylær kontrol. Det skyldes, at hver A-blok og hver B-blok har nøjagtig samme længde, hvilket vil give større ensartethed i mønsteret. "

En kritisk forskel, denne ensartethed kan gøre, er evnen for polymeren til lettere at samle sig selv til en "samkontinuerlig dobbelt-gyroide struktur" i en tynd film. Dette arrangement er særligt nyttigt til at kontrollere transportegenskaber, da det adskiller de polære og upolære områder af polymererne.

"Det kontinuerligt ladede domæne kan fremme ledningsevnen af ​​ladede eller polære arter, såsom vand eller ioner, og det kontinuerlige ikke-polære domæne giver mekanisk styrke," siger Winey.

Forskerne undersøger nu, hvordan man bedst konverterer disse tynde filmstrukturer til funktionelle nanomønstrede stencils, samt udvikler et bibliotek af forskellige multiblok-copolymerkemi, der kan danne dobbelte gyroideastrukturer. + Udforsk yderligere

Stærke, elastiske, selvhelbredende polymerer kommer sig hurtigt efter skader