Sinds het begin van de beschaving, mensen hebben nieuwe materialen uitgebuit om hun leven te verbeteren, uit de prehistorische steentijd, Bronstijd, en ijzertijd tot het moderne siliciumtijdperk. Met elke periode kwamen technologische doorbraken die de manier waarop we leven veranderden. Overweeg de uitvinding van de siliciumchip in 1961, die de weg vrijmaakten voor de digitale revolutie. Zonder deze kleine elektronische component, we zouden geen laptops of mobiele telefoons hebben.

Het aanpakken van de uitdagingen van vandaag vereist eveneens materiële vooruitgang. Bijvoorbeeld, hoe maken we zonnepanelen die zonlicht efficiënter omzetten in elektriciteit? Batterijen die langer meegaan? Steeds kleinere elektronische apparaten? Wetenschappers zoeken naar oplossingen voor deze vragen door middel van materiaalwetenschap en engineering. Ze verbeteren zowel de prestaties van bestaande materialen als het creëren van gloednieuwe materialen met ongeëvenaarde eigenschappen.

In het afgelopen decennium is wetenschappers van het Center for Functional Nanomaterials (CFN) van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) hebben zichzelf als leiders op dit gebied gevestigd. Vooral, ze ontwikkelen een nieuwe methode om materialen te maken:infiltratiesynthese.

Zoals de naam al doet vermoeden, infiltratiesynthese omvat infiltreren, of infuseren, het ene materiaal in het andere. Door een anorganisch (niet-koolstofhoudend) materiaal te infuseren in een organisch (koolstofhoudend) materiaal, men kan een "hybride" materiaal genereren met eigenschappen die in geen van de uitgangscomponenten worden gezien. De organische soorten kunnen dunne polymeerfilms zijn, polymeren met een patroon in een bepaalde geometrische vorm met behulp van een lichtbron of elektronenstraal (een techniek die lithografie wordt genoemd), polymeren die zelf zijn samengesteld uit twee of meer chemisch verschillende "blokken" (blokcopolymeer), of zelfs zelf-geassembleerde DNA-structuren. Infiltratie vindt plaats wanneer de organische matrix in afwisselende volgorde wordt blootgesteld aan anorganisch bevattende gas- of vloeibare voorlopers (uitgangsmaterialen).

Door het hybride materiaal onder zuurstofplasma (een elektrisch geladen gas) of in een zuurstofomgeving met hoge temperatuur te plaatsen, wetenschappers kunnen ook selectief de organische component verwijderen. Het anorganische deel blijft achter en erft het organische "sjabloon"-patroon, wat handig is voor het maken van anorganische nanostructuren en het integreren ervan in elektronische apparaten.

"Conventionele, op pure chemie gebaseerde benaderingen zoals chemische synthese zijn complex, " legde Chang-Yong Nam uit, een wetenschapper in de CFN Electronic Nanomaterials Group die het onderzoek naar infiltratiesynthese leidt. "Er is geen garantie dat je de eigenschappen krijgt die je hebt getarget. En het creëren van zeer kleine functies - die belangrijk zijn voor het maken van elektronische apparaten - is moeilijk. Infiltratiesynthese lost deze problemen op, en de benodigde tools zijn direct beschikbaar in elke nanofabricagefaciliteit."

naam, CFN collega's, en externe medewerkers hebben laten zien hoe infiltratiesynthese kan worden gebruikt om een ​​groot aantal nieuwe functionele materialen te creëren, waardoor een grote verscheidenheid aan toepassingen mogelijk is.

in 2015, ze gebruikten infiltratiesynthese en lithografie om anorganische nanodraden - draadvormige structuren met een breedte in de orde van miljardsten van een meter - in een transistor te modelleren. Deze studie was de eerste die aantoonde dat de techniek kan worden gebruikt om een ​​elektronisch apparaat te modelleren. Door dit aanvankelijke concept uit te breiden, ze maakten arrays van perfect uitgelijnde nanodraden tot zeer gevoelige fotodetectoren van ultraviolet (UV) licht. Om de gevoeligheid nog verder te verhogen, ze hebben gestapelde zelfassemblerende blokcopolymeerpatronen omgezet in een 3D "nanomesh" -architectuur. Het grote oppervlak en de poriën die door deze gelaagde 3D-geometrie mogelijk worden gemaakt, maakten de plaatsing van veel meer nanodraad-detectie-elementen mogelijk.

Deze combinatie van zelfassemblage van blokcopolymeer en infiltratiesynthese heeft ook verschillende innovaties mogelijk gemaakt door andere onderzoeksteams van het CFN. Bijvoorbeeld, een team gebruikte de techniek om het oppervlak van siliciumzonnecellen te structureren met kegelvormige nanostructuren. Soortgelijke kleine structuren bedekken de ogen van motten om lichtreflectie te voorkomen, en de wetenschappers hebben dit antireflecterende effect aangetoond in de nanogetextureerde zonnecellen, evenals op "onzichtbare glazen" oppervlakken. Als er licht op een zonnecel valt, u reflectie wilt minimaliseren (of als alternatief, absorptie maximaliseren) zodat de zonne-energie efficiënt kan worden omgezet in elektriciteit. En voor beeldschermen op computers, telefoons, en andere elektronica, u lichtreflectie wilt elimineren om verblinding te voorkomen.

Na deze studies over anorganische materialen, de wetenschappers begonnen de eigenschappen te onderzoeken van hybride organisch-anorganische materialen die ook worden gegenereerd door infiltratiesynthese. Bijvoorbeeld, ze creëerden hybride "nanopilaren" die zowel de hoge sterkte van een metaal als de lage stijfheid van schuim vertoonden. Met deze zeldzame combinatie van mechanische eigenschappen, het materiaal kan een ongekende hoeveelheid elastische energie opslaan en afgeven, waardoor het nuttig is voor apparaten die ultrakleine veren nodig hebben, hendels, of motoren, zoals versnellingsmeters, resonatoren, en biosynthetische kunstmatige spieren.

De wetenschappers lieten ook zien hoe hybriden kunnen dienen als optische coatings die specifieke golflengten van licht reflecteren; zeer gevoelige zuurstof- en watersensoren; fotoresists voor het overbrengen van ultrakleine kenmerken naar silicium voor micro-elektronica van de volgende generatie; all-round coatings op individuele nanodeeltjes voor het taggen en volgen van cellen in biologische beeldvorming; en contrastmiddelen om de complexe geometrie van 3D-blokcopolymeren te visualiseren.

"Het verbazingwekkende van infiltratiesynthese is de afstembaarheid, " zei Kevin Yager, leider van de CFN Electronic Nanomaterials Group. "Je kunt de gewenste materiaaleigenschappen heel precies inbellen door het juiste infiltrant en het juiste laadniveau te selecteren. Hierdoor kun je je richten op een grote verscheidenheid aan toepassingen en het materiaal optimaliseren voor elke specifieke taak."

Recenter, de wetenschappers hebben de geschiktheid van hun hybride resists voor extreme UV (EUV) lithografie bestudeerd. Halfgeleidertechnologiebedrijven gebruiken deze opkomende techniek om transistors - de bouwstenen van elektronische componenten zoals centrale verwerkingseenheden (CPU's) en willekeurig toegankelijk geheugen (RAM) - tot onder de vijf nanometer te verkleinen. Door de afmetingen van functies te verkleinen, kunnen elektronische apparaten worden gemaakt met hogere verwerkingssnelheden en een lager stroomverbruik. Ondanks de belofte van EUV-lithografie, er zijn nog een aantal uitdagingen, inclusief de noodzaak van hooggevoelige resists.

"EUV-lithografie vereist resists die een grote hoeveelheid EUV-licht kunnen absorberen, en organische materialen hebben deze capaciteit doorgaans niet, " legde Nam uit. "Het infiltreren van een anorganische soort in de organische component kan het absorptievermogen verbeteren."

Hoewel veel groepen nu resisttechnologieën ontwikkelen, een fundamenteel begrip van de infiltratiechemie en het EUV-blootstellingsproces in resists ontbreekt. Nam en zijn team zijn begonnen met het bestuderen van dit mechanisme in hun hybride resists door middel van elektronenstraallithografie en lage-energie-elektronenmicroscopie bij de CFN en röntgenverstrooiing en absorptiespectroscopie bij de Soft Matter Interfaces (SMI) en Spectroscopie Soft and Tender (STT ) beamlines of Brookhaven's National Synchrotron Light Source II. They are also exploring the EUV exposure characteristics and patterning performance of the hybrid resists at the Microfield Exposure Tool (MET) beamline—a private EUV beamline sponsored by leading semiconductor companies, including Intel Corporation and Samsung Electronics—of Lawrence Berkeley National Lab's Advanced Light Source. Their preliminary results provided important feedback on how to optimize the infiltration chemistry and method for enhanced EUV sensitivity.

The team is also making a hybrid-based neuromorphic switching device, which models the way the brain computes and transmits information. In initial demonstrations, their hybrid structure showed potential in mimicking the action of brain synapses, or the connections between neurons. They also found that the hybridization significantly reduced device-to-device performance variability, which is critical for creating practical, large-scale neuromorphic device arrays. Such brain-inspired computing would offer significant leaps in energy efficiency and processing speed for artificial intelligence tasks such as learning, searching, and sensing.

"Moving forward, there's still a lot we can do with infiltration synthesis, " said Nam. "We're excited to continue exploring its diverse applications for next-generation micro- and nanoelectronics and energy technologies, with the hope of contributing to the transformation of our future society."