Doorbraak in Zelf-assemblerende Elektronica: Onderzoekers Tonen Nieuwe Apparaatfabricage

Electronica & Sensoren INSIDER

D-Met gefabriceerde patronen produceren componenten voor potentieel gebruik in microelectromechanische systemen (MEMS). (Afbeelding: Julia Chang)

Onderzoekers hebben een nieuwe techniek voor zelf-assemblerende elektronische apparaten gedemonstreerd. Het proof-of-concept werk werd gebruikt om diodes en transistors te creëren en baant de weg voor het zelf-assembleren van complexere elektronische apparaten zonder te vertrouwen op bestaande computerchip-fabricagetechnieken.

"Bestaande chipfabricagetechnieken omvatten veel stappen en vertrouwen op extreem complexe technologieën, wat het proces kostbaar en tijdrovend maakt," zei Martin Thuo, corresponderende auteur van een paper over het werk en professor materiaalwetenschap en engineering aan North Carolina State University. "Onze zelf-assemblerende benadering is significant sneller en goedkoper. We hebben ook gedemonstreerd dat we het proces kunnen gebruiken om de bandkloof voor halfgeleidermaterialen af te stemmen en de materialen responsief te maken voor licht – wat betekent dat deze techniek gebruikt kan worden om opto-elektronische apparaten te creëren.

"Wat meer is, huidige fabricagetechnieken hebben lage opbrengst, wat betekent dat ze een relatief groot aantal defecte chips produceren die niet gebruikt kunnen worden. Onze benadering is hoge opbrengst – wat betekent dat u meer consistente productie van arrays krijgt en minder afval."

Thuo noemt de nieuwe, zelf-assemblerende techniek een directed metal-ligand (D-Met) reactie. U begint met vloeibare metaaldeeltjes. Voor hun proof-of-concept werk gebruikten de onderzoekers Field's metaal, een legering van indium, bismuth en tin. De vloeibare metaaldeeltjes worden naast een mal geplaatst, die elke grootte of patroon kan hebben. Een oplossing wordt vervolgens over het vloeibare metaal gegoten. De oplossing bevat moleculen genaamd liganden die bestaan uit koolstof en zuurstof. Deze liganden halen ionen van het oppervlak van het vloeibare metaal en houden die ionen in een specifiek geometrisch patroon. De oplossing vloeit over de vloeibare metaaldeeltjes en wordt in de mal getrokken.

Terwijl de oplossing in de mal vloeit, beginnen de ionen-dragende liganden zichzelf te assembleren in complexere, driedimensionale structuren. Tegenwoordig begint het vloeibare deel van de oplossing te verdampen, wat ervoor zorgt dat de complexe structuren steeds dichter bij elkaar in een array worden gepakt.

"Zonder de mal kunnen deze structuren enigszins chaotische patronen vormen," zei Thuo. "Maar omdat de oplossing beperkt wordt door de mal, vormen de structuren voorspelbare, symmetrische arrays."

Eenmaal een structuur de gewenste grootte bereikt heeft, wordt de mal verwijderd, en de array verwarmd. Deze hitte breekt de liganden op, wat de koolstof- en zuurstofatomen vrijmaakt. De metaalionen interacteren met de zuurstof om halfgeleider metaaloxiden te vormen, terwijl de koolstofatomen grafene vellen vormen. Deze ingrediënten assembleren zichzelf in een goed-geordende structuur bestaande uit halfgeleider metaaloxide moleculen ingewikkeld in grafene vellen. De onderzoekers gebruikten deze techniek om nanoscale en microscale transistors en diodes te creëren.

"De grafene vellen kunnen gebruikt worden om de bandkloof van de halfgeleiders af te stemmen, wat de halfgeleider meer of minder responsief maakt, afhankelijk van de kwaliteit van de grafene," zei Julia Chang, eerste auteur van het paper en postdoctorale onderzoeker bij NC State. Bovendien, omdat de onderzoekers bismuth gebruikten in het proof-of-concept werk, waren ze in staat om structuren te maken die foto-responsief zijn. Dit stelt de onderzoekers in staat om de eigenschappen van de halfgeleiders met licht te manipuleren.

"De aard van de D-Met techniek betekent dat u deze materialen op grote schaal kunt maken – u bent alleen beperkt door de grootte van de mal die u gebruikt," zei Thuo. "U kunt ook de halfgeleiderstructuren controleren door het type vloeistof in de oplossing, de dimensies van de mal, en de verdampingsnelheid van de oplossing te manipuleren.

"Kortom, we hebben getoond dat we hoog-gestructureerde, hoog-aanpasbare elektronische materialen voor gebruik in functionele elektronische apparaten kunnen zelf-assembleren," zei 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