Sinds de jaren zestig, computerchips zijn gebouwd met behulp van een proces dat fotolithografie wordt genoemd. Maar in de afgelopen vijf jaar chipkenmerken zijn kleiner geworden dan de golflengte van licht, waarvoor enkele ingenieuze aanpassingen van fotolithografische processen nodig waren. Om het tempo van de miniaturisatie van circuits op peil te houden, zoals we gewend zijn - zoals voorspeld door de Wet van Moore - zullen uiteindelijk nieuwe fabricagetechnieken nodig zijn.

Blokcopolymeren, moleculen die zichzelf spontaan assembleren tot bruikbare vormen, zijn een veelbelovend alternatief voor fotolithografie. In een nieuw artikel in het tijdschrift Natuurcommunicatie , MIT-onderzoekers beschrijven de eerste techniek voor het stapelen van lagen blokcopolymeerdraden zodanig dat de draden in één laag zich van nature loodrecht oriënteren op die in de laag eronder.

De mogelijkheid om dergelijke "mesh-structuren" gemakkelijk te produceren, zou zelfassemblage een veel praktischere manier kunnen maken om geheugen te vervaardigen, optische spaanders, en zelfs toekomstige generaties computerprocessors.

"Er is eerder werk geweest aan het fabriceren van een maasstructuur - bijvoorbeeld ons werk, " zegt Amir Tavakkoli, een postdoc in MIT's Research Laboratory of Electronics en een van de drie eerste auteurs van het nieuwe artikel. "We gebruikten palen die we hadden gefabriceerd met elektronenstraallithografie, wat tijdrovend is. Maar hier, we gebruiken geen elektronenstraallithografie. We gebruiken de eerste laag blokcopolymeer als sjabloon om er zelf nog een laag blokcopolymeer bovenop te assembleren."

Tavakkoli's co-eerste auteurs op het papier zijn Sam Nicaise, een afgestudeerde student elektrotechniek, en Karim Gadelrab, een afgestudeerde student in materiaalkunde en techniek. De senior auteurs zijn Alfredo Alexander-Katz, de Walter Henry Gale universitair hoofddocent materiaalwetenschap en -techniek; Caroline Ross, de Toyota-hoogleraar Materials Science and Engineering; en Karl Berggren, hoogleraar elektrotechniek.

Ongelukkige stellen

Polymeren zijn lange moleculen gemaakt van elementaire moleculaire eenheden die in ketens zijn geregen. Kunststoffen zijn polymeren, en dat geldt ook voor biologische moleculen zoals DNA en eiwitten. Een copolymeer is een polymeer dat wordt gemaakt door twee verschillende polymeren te verbinden.

In een blokcopolymeer, de samenstellende polymeren zijn zo gekozen dat ze chemisch onverenigbaar met elkaar zijn. Het zijn hun pogingen om van elkaar weg te duwen - zowel binnen een enkele polymeerketen als binnen een polymeerfilm - waardoor ze zichzelf organiseren.

In het geval van de MIT-onderzoekers een van de samenstellende polymeren is op koolstof gebaseerd, de andere op basis van silicium. In hun pogingen om te ontsnappen aan het op koolstof gebaseerde polymeer, de op silicium gebaseerde polymeren vouwen zichzelf in, cilinders vormen met lussen van op silicium gebaseerd polymeer aan de binnenkant en het andere polymeer borstelend aan de buitenkant. Wanneer de cilinders worden blootgesteld aan een zuurstofplasma, het op koolstof gebaseerde polymeer verbrandt en het silicium oxideert, waardoor glasachtige cilinders aan een basis zijn bevestigd.

Om een ​​tweede laag cilinders te monteren, de onderzoekers herhalen het proces gewoon, zij het met behulp van copolymeren met enigszins verschillende ketenlengtes. De cilinders in de nieuwe laag oriënteren zich natuurlijk loodrecht op die in de eerste.

Door het oppervlak waarop de eerste groep cilinders wordt gevormd chemisch te behandelen, zullen ze in parallelle rijen worden uitgelijnd. In dat geval, de tweede laag cilinders zal ook parallelle rijen vormen, loodrecht op die in de eerste.

Maar als de cilinders in de onderste laag willekeurig worden gevormd, kronkelend naar uitgebreide, lus patronen, de cilinders in de tweede laag zullen hun relatieve oriëntatie behouden, het creëren van hun eigen uitgebreide, maar loodrecht, patronen.

De ordelijke maasstructuur is degene die de meest voor de hand liggende toepassingen heeft, maar de wanordelijke is misschien wel de meest indrukwekkende technische prestatie. "Dat is degene waar materiaalwetenschappers enthousiast over zijn, ' zegt Nicaise.

Waarom en waarom

Glasachtige draden zijn niet direct bruikbaar voor elektronische toepassingen, maar het is misschien mogelijk om ze te zaaien met andere soorten moleculen, waardoor ze elektronisch actief zouden worden, of om ze te gebruiken als sjabloon voor het deponeren van andere materialen. De onderzoekers hopen dat ze hun resultaten kunnen reproduceren met meer functionele polymeren. Daartoe, ze moesten het proces dat hun resultaten opleverde theoretisch karakteriseren. "We gebruiken computersimulaties om de belangrijkste parameters te begrijpen die de polymeeroriëntatie regelen, ' zegt Gadelrab.

Wat ze ontdekten was dat de geometrie van de cilinders in de onderste laag de mogelijke oriëntaties van de cilinders in de bovenste laag beperkte. Als de wanden van de onderste cilinders te steil zijn om de bovenste cilinders er comfortabel in te laten passen, de bovenste cilinders zullen proberen een andere oriëntatie te vinden.

Het is ook belangrijk dat de bovenste en onderste lagen slechts zwakke chemische interacties hebben. Anders, de bovenste cilinders zullen zichzelf op de onderste proberen te stapelen als houtblokken op een stapel.

Beide eigenschappen - cilindergeometrie en chemische interactie - kunnen worden voorspeld uit de fysica van polymeermoleculen. Het moet dus mogelijk zijn om andere polymeren te identificeren die hetzelfde gedrag vertonen.

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.