Doorbraak in zelfassemblerende elektronica:onderzoekers presenteren nieuwe apparaatfabricage

Elektronica en sensoren INSIDER

Door D-Met gefabriceerde patronen produceren componenten voor mogelijk gebruik in micro-elektromechanische systemen (MEMS). (Afbeelding:Julia Chang)

Onderzoekers hebben een nieuwe techniek gedemonstreerd voor het zelfassembleren van elektronische apparaten. Het proof-of-concept-werk werd gebruikt om diodes en transistors te maken en maakt de weg vrij voor het zelfassembleren van complexere elektronische apparaten zonder te vertrouwen op bestaande productietechnieken voor computerchips.

“Bestaande chipproductietechnieken omvatten veel stappen en zijn afhankelijk van uiterst complexe technologieën, waardoor het proces kostbaar en tijdrovend is”, zegt Martin Thuo, corresponderend auteur van een artikel over het werk en hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de North Carolina State University. "Onze zelfassemblerende aanpak is aanzienlijk sneller en goedkoper. We hebben ook aangetoond dat we het proces kunnen gebruiken om de bandafstand voor halfgeleidermaterialen af te stemmen en de materialen responsief te maken op licht - wat betekent dat deze techniek kan worden gebruikt om opto-elektronische apparaten te maken.

“Bovendien hebben de huidige productietechnieken een laag rendement, wat betekent dat ze een relatief groot aantal defecte chips produceren die niet kunnen worden gebruikt. Onze aanpak is gericht op een hoog rendement, wat betekent dat u een consistentere productie van arrays en minder verspilling krijgt.”

Thuo noemt de nieuwe, zelfassemblerende techniek een gerichte metaalligandreactie (D-Met). Je begint met vloeibare metaaldeeltjes. Voor hun proof-of-concept-werk gebruikten de onderzoekers het metaal van Field, een legering van indium, bismut en tin. De vloeibare metaaldeeltjes worden naast een mal geplaatst, die in elk gewenst formaat of patroon kan worden gemaakt. Vervolgens wordt een oplossing op het vloeibare metaal gegoten. De oplossing bevat moleculen die liganden worden genoemd en die bestaan uit koolstof en zuurstof. Deze liganden verzamelen ionen van het oppervlak van het vloeibare metaal en houden die ionen vast in een specifiek geometrisch patroon. De oplossing stroomt over de vloeibare metaaldeeltjes heen en wordt in de mal gezogen.

Terwijl de oplossing in de mal stroomt, beginnen de ionendragende liganden zichzelf te assembleren tot complexere, driedimensionale structuren. Ondertussen begint het vloeibare deel van de oplossing te verdampen, wat ervoor zorgt dat de complexe structuren steeds dichter bij elkaar komen in een array.

“Zonder de mal kunnen deze structuren enigszins chaotische patronen vormen,” zei Thuo. “Maar omdat de oplossing wordt beperkt door de mal, vormen de structuren zich in voorspelbare, symmetrische reeksen.”

Zodra een structuur de gewenste grootte heeft bereikt, wordt de mal verwijderd en wordt de array verwarmd. Deze hitte breekt de liganden af, waardoor de koolstof- en zuurstofatomen vrijkomen. De metaalionen interageren met de zuurstof en vormen halfgeleidermetaaloxiden, terwijl de koolstofatomen grafeenplaten vormen. Deze ingrediënten assembleren zichzelf tot een goed geordende structuur bestaande uit halfgeleidermetaaloxidemoleculen gewikkeld in grafeenvellen. De onderzoekers gebruikten deze techniek om transistors en diodes op nano- en microschaal te creëren.

"De grafeenvellen kunnen worden gebruikt om de bandafstand van de halfgeleiders af te stemmen, waardoor de halfgeleider min of meer responsief wordt, afhankelijk van de kwaliteit van het grafeen", zegt Julia Chang, eerste auteur van het artikel en postdoctoraal onderzoeker bij NC State. Omdat de onderzoekers bismut gebruikten in het proof-of-concept-werk, konden ze bovendien structuren maken die fotoresponsief zijn. Hierdoor kunnen de onderzoekers de eigenschappen van de halfgeleiders manipuleren met behulp van licht.

“De aard van de D-Met-techniek betekent dat je deze materialen op grote schaal kunt maken – je wordt alleen beperkt door de grootte van de mal die je gebruikt,” zei Thuo. “Je kunt de halfgeleiderstructuren ook controleren door het type vloeistof dat in de oplossing wordt gebruikt, de afmetingen van de mal en de verdampingssnelheid van de oplossing te manipuleren.

“Kortom, we hebben laten zien dat we zelf zeer gestructureerde, goed afstembare elektronische materialen kunnen assembleren voor gebruik in functionele elektronische apparaten”, aldus Thuo. "Dit werk demonstreerde de creatie van transistors en diodes. De volgende stap is om deze techniek te gebruiken om complexere apparaten te maken, zoals driedimensionale chips."

Bron