science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Elektronica vanaf de grond opbouwen

Nanodots van ijzeroxide werden in een zeer geordend patroon gelegd zonder het gebruik van sjablonen. De gemiddelde diameter van de deeltjes was 25 nanometer, met een regelmatige afstand van 45 nm.

(Phys.org) - Er is bijna geen moment in het moderne leven waar geen elektronische apparaten betrokken zijn, of ze je via gps naar een bestemming leiden of beslissen welke inkomende berichten een piepje verdienen, ring of trilling. Maar onze verwachting dat het volgende winkelseizoen onvermijdelijk een upgrade naar krachtigere gadgets zal bieden, hangt grotendeels af van de grootte, namelijk, het vermogen van de industrie om transistors te verkleinen, zodat er meer op steeds kleinere chipoppervlakken passen.

Ingenieurs zijn al tientallen jaren opgewassen tegen de taak van de miniaturisering van elektronica, en het principe dat de computerindustrie dit volgens een vast schema zal kunnen doen – zoals vastgelegd in de Wet van Moore – zal niet snel in twijfel worden getrokken, dankzij onderzoekers zoals Chuanbing Tang van de Universiteit van South Carolina.

Tang is een leider in het bouwen van minuscule structuren van onderaf, in plaats van van boven naar beneden. Momenteel, moderne elektronica wordt voornamelijk volgens de laatste methode gefabriceerd:het gladde oppervlak van een uitgangsmateriaal - laten we zeggen een plak silicium – wordt geëtst door middel van micro- of nanolithografie om er een patroon op vast te stellen.

De top-down methode kan een geprefabriceerd sjabloon omvatten, zoals een fotomasker, om het patroon vast te stellen. Maar de aanpak wordt steeds uitdagender, omdat het verkleinen van de functies op de vereiste sjablonen extreem duur wordt naarmate ingenieurs verder op de nanoschaal werken. "Van 500 naar sub-30 nanometer gaan is onbetaalbaar voor grootschalige productie, " zei Tang, een assistent-professor in de afdeling chemie en biochemie in USC's College of Arts and Sciences.

Chuanbing Tang (rechts) en Christopher Hardy gebruikten atoomkrachtmicroscopie om de patronen op nanoschaal te karakteriseren die ze van onder naar boven bouwden.

Als chemicus, Tang hanteert een bottom-up benadering:hij werkt met de individuele moleculen die op een oppervlak gaan, hen overhalen om zichzelf in de benodigde patronen te ordenen. Een gevestigde methode om dit te doen omvat blokcopolymeren, waarin een polymeerketen bestaat uit twee of meer secties van verschillende gepolymeriseerde monomeren.

Als de verschillende bloksecties goed zijn ontworpen, de blokken zullen zichzelf aggregeren wanneer ze op een oppervlak worden geplaatst, en de aggregatie kan worden gebruikt om gewenste patronen op nanoschaal te creëren zonder dat er sjablonen nodig zijn. Diblokcopolymeren van poly(ethyleenoxide) en polystyreen, bijvoorbeeld, zijn gebruikt om zeer geordende reeksen van loodrechte cilinders van materialen op nanoschaal te construeren. Oplosmiddel verdamping, of gloeien, van deze polymeren op oppervlakken oefent een extern richtingsveld uit dat het patroonvormingsproces kan verbeteren en bijna defectvrije arrays kan creëren.

Tang's laboratorium heeft zojuist een paper gepubliceerd voor de speciale uitgave "Emerging Investigators 2013" van het tijdschrift Chemische communicatie die deze methode naar een nieuw niveau tilt. In samenwerking met afgestudeerde student Christopher Hardy, Tang leidde een team dat nanodeeltjes van pure, kristallijn ijzeroxide met gecontroleerde grootte en afstand op siliciumwafels door covalente opname van een ferroceendeel in een triblokcopolymeer.

Het opnemen van metalen in ontwerpen op nanoschaal is cruciaal voor het fabriceren van elektronische apparaten, en de methode van Tang is een stap voorwaarts voor het veld. Omdat ferroceen covalent is gebonden aan het blokcopolymeer, er is geen complexeerstap nodig om een ​​metaalbevattende verbinding aan het oppervlak toe te voegen - een lastige vereiste van de meeste eerdere methoden. Bovendien, hun techniek gaat een stap verder dan verwante polymeersystemen die covalente ferrocenylsilaanbindingen bevatten, waarbij verwijdering van de organische componenten siliciumoxide achterlaat als een onzuiverheid in het metaaloxide.

De techniek is een veelbelovende aanvulling op de beschikbare tools om de chronische behoefte aan het verkleinen van elektronische componenten aan te pakken. "De industrie zal top-down methoden niet vervangen, "Tang zei, "maar ze zijn van plan om binnenkort bottom-up te gebruiken samen met de bestaande top-down-methoden."

Er is ook veelzijdigheid in de techniek. "Hier gebruiken we een ferroceenhoudend polymeer, die we omzetten in het anorganische ijzeroxide. Maar als we het ferroceen in het polymeer vervangen door koolstofprecursor, we zouden een loodrechte koolstof nanostaaf kunnen maken, die veel potentiële toepassingen zou hebben, " zei Tang. "Of we kunnen een halfgeleidend polymeer opnemen, zoals polythiofeen, wat erg handig zou zijn in zonneceltoepassingen."