Onderzoekers van het MIT hebben een nieuwe manier gevonden om complexe driedimensionale structuren te maken met behulp van zelfassemblerende polymeermaterialen die kleine draden en knooppunten vormen. Het werk heeft het potentieel om een ​​nieuwe generatie microchips en andere apparaten met submicroscopische kenmerken in te luiden.

Hoewel er al eerder soortgelijke zelfassemblerende constructies met zeer fijne draden zijn gemaakt, dit is de eerste keer dat de structuren zijn uitgebreid tot drie dimensies met verschillende, onafhankelijke configuraties op verschillende lagen, zeggen de onderzoekers. Het onderzoek wordt deze week gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Caroline Ross, de Toyota Professor of Materials Science and Engineering aan het MIT, zegt dat er "veel interesse" is onder halfgeleideronderzoekers om manieren te vinden om chipkenmerken te produceren die veel smaller zijn dan de golflengte van licht - en dus smaller dan wat kan worden bereikt met de huidige op licht gebaseerde fabricagesystemen. Zelfassemblage op basis van polymeren is een actief onderzoeksgebied geweest, Roos zegt, maar "wat we in dit artikel deden, was het in de derde dimensie duwen."

Zij en haar collega's begonnen met het maken van een reeks kleine paaltjes op een substraat van silicium; vervolgens bedekten ze het oppervlak met materialen die blokcopolymeren worden genoemd, die een natuurlijke neiging hebben om zich te assembleren tot lange cilindrische structuren. Door de aanvankelijke afstand van de posten zorgvuldig te controleren, Roos legt uit, de onderzoekers waren in staat om de afstand in te stellen, hoeken, bochten en verbindingen van de cilinders die zich op het oppervlak vormen. Wat meer is, ze zegt, "Elk van de twee lagen cilinders kan onafhankelijk worden bestuurd met behulp van deze posten, ” waardoor het mogelijk is om complexe 3D-configuraties te maken.

Amir Tavakkoli, een bezoekende afgestudeerde student van de National University of Singapore en hoofdauteur van de Wetenschap papier, zegt dat veel onderzoekers hebben geprobeerd complexe opstellingen van draden op nanoschaal te maken door zelfassemblage. Maar eerdere pogingen maakten gebruik van complexe processen met veel stappen, en was er niet in geslaagd om de resulterende configuraties goed te controleren. Het nieuwe systeem is eenvoudiger, Tavakkoli zegt, en “controleerde niet alleen de uitlijning van de draden, maar toonde aan dat we zelfs scherpe bochten en kruispunten kunnen hebben op nauwkeurig bepaalde locaties.

“Het was niet te verwachten, ', zegt MIT-afgestudeerde student Kevin Gotrik. “Het was een verrassend resultaat. We kwamen het tegen, en moest toen uitvinden hoe het werkte.”

Er waren een aantal barrières die moesten worden overwonnen om het systeem praktisch te maken, zegt Gotrik. Bijvoorbeeld, de palen die op het oppervlak zijn gefabriceerd, zijn de sleutel tot het beheersen van het hele zelfassemblageproces, maar ze moeten een stuk groter zijn dan breed, wat ertoe zou kunnen leiden dat sommigen omvallen; het MIT-team vond uiteindelijk materialen en vormen die stabiel zouden zijn. “We hebben een breed scala aan omstandigheden onderzocht, ', zegt Gotrik.

Afgestudeerde student Adam Hannon zegt dat het team computersimulaties van de structuren heeft gebruikt om de effecten van verschillende postconfiguraties op de dubbellaagse 3D-structuur te onderzoeken. Deze simulaties werden vergeleken met de meest veelbelovende structuren die in het laboratorium werden waargenomen om meer inzicht te krijgen in hoe de resulterende structuren die zich vormden te controleren.

Tot dusver, het MIT-team heeft alleen configuraties met twee lagen geproduceerd, maar Alfredo Alexander-Katz, een assistent-professor materiaalkunde en techniek, zegt, "Ik denk dat het haalbaar zou zijn om naar drie lagen te gaan", terwijl de volledige controle behouden blijft over de rangschikking van structuren op elke laag.

Een sleuteltechnologie was het vermogen van het MIT-lab, met behulp van elektronenstraallithografie, om 10 nanometer brede cilindrische palen te maken met nauwkeurig gecontroleerde positionering. Deze berichten, beurtelings, begeleiden de positionering van de zelf-assemblerende cilinders. Karl Berggren, een universitair hoofddocent elektrotechniek, zegt dat het is alsof de lithografie een reeks pilaren neerzet, en deze pijlers beheersen dan het complex, routering op meerdere niveaus van kruisende snelwegen.

In eerder werk, de MIT-onderzoekers hadden aangetoond dat deze zelfassemblagemethode kan worden gebruikt om draden te maken die veel fijner zijn dan die kunnen worden gemaakt met bestaande fotolithografische technieken voor het produceren van microchips - en zo de weg wijzen naar apparaten van de volgende generatie die nog meer inpakken draden en transistors in een bepaald gebied van siliciumchipmateriaal. “In principe dit is schaalbaar tot vrij kleine afmetingen, ’ zegt Roos, veel kleiner dan de breedte van 15 nanometer van de cilinders die tot nu toe zijn geproduceerd - wat al minder is dan de helft van de breedte van de fijnste draden in bestaande microchips.

De betrokken basistechnologieën zijn compatibel met bestaande productieapparatuur in de halfgeleiderindustrie, zeggen de onderzoekers. Maar dit is fundamenteel onderzoek dat waarschijnlijk nog ver verwijderd is van de daadwerkelijke chipproductie, ze voorzichtig. Binnen het komende jaar hoopt het team deze methode te gebruiken om een ​​eenvoudig elektronisch apparaat te produceren.

De techniek beperkt zich niet tot het maken van draden op een siliciumchip, Ross en haar collega's zeggen. Dezelfde methode kan worden gebruikt om 3D-arrays van andere soorten materialen te maken, zoals eiwitten of DNA-moleculen, bijvoorbeeld — om biologische detectoren of medicijnafgiftesystemen te creëren.

Craig Hawker, een professor in de chemie en biochemie aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara, zegt dat dit een “vergaande bevinding is, ” die “een lange weg gaat om te voldoen aan de eisen van de International Technology Roadmap for Semiconductors, die vraagt ​​om een ​​robuuste, commercieel levensvatbare nanopatroontechniek.”

Hawker voegt toe, “De robuustheid en kracht van deze aanpak kan ook leiden tot toepassingen buiten de lithografie en micro-elektronica, met impact in waterzuivering, membranen en organische fotovoltaïsche energie.” Hij zegt dat dit werk “een spectaculair voorbeeld is van multidisciplinair werk, met vooruitgang in de chemie, natuurkunde en nanotechnologie naadloos gecombineerd om een ​​kritisch technologisch en belangrijk maatschappelijk probleem aan te pakken.”

Het werk werd ondersteund door de Semiconductor Research Corporation, het FENA-centrum, het onderzoeksinitiatief voor nano-elektronica, de Singapore-MIT Alliantie, de Nationale Wetenschapsstichting, Tokyo Electron en Taiwan Semiconductor Manufacturing Company.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.