Fabrikanten van computerchips streven er voortdurend naar om meer transistors in minder ruimte te verpakken, maar naarmate de grootte van die transistoren de atomaire schaal nadert, er zijn fysieke grenzen aan hoe klein ze de patronen voor de schakelingen kunnen maken.

Nutsvoorzieningen, gebruikmakend van een germaniumwafel bedekt met een laag vrijwel ongerept grafeen - een laag koolstof die slechts één atoom dik is gerangschikt - heeft een team van ingenieurs van de Universiteit van Wisconsin-Madison en de Universiteit van Chicago een eenvoudiger, reproduceerbare en goedkopere fabricagebenadering met behulp van gerichte zelfassemblage.

Gestuurde zelfmontage is een grootschalige, nanopatroontechniek die de dichtheid van circuitpatronen kan verhogen en enkele beperkingen van conventionele lithografische processen voor het printen van circuits op wafels van halfgeleiders zoals silicium kan omzeilen.

Elektrotechnisch ingenieur Zhenqiang "Jack" Ma en materiaalingenieur Michael Arnold van UW-Madison, chemisch ingenieur Paul Nealey van de Universiteit van Chicago, en hun studenten publiceerden details over het voorschot in de editie van 16 augustus van het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Hun werk zou een boost kunnen betekenen in functionaliteit voor halfgeleiderelektronica en in capaciteit voor gegevensopslag.

Om de ongelooflijk kleine afmetingen te bereiken die nodig zijn voor de schakelingen in toekomstige halfgeleiderelektronica, fabrikanten ontwikkelen gerichte zelfmontage, die de fabricage van ingewikkelde, perfect geordende polymeerpatronen voor circuits.

Voor gerichte zelfmontage, de onderzoekers gebruiken conventionele chemische technieken om een ​​pre-patroon te definiëren. Wanneer ketens van moleculen, bekend als blokcopolymeren, zichzelf assembleren op het pre-patroon, ze volgen het patroon om goed geordende functies te vormen.

De nieuwe methode van de onderzoekers is veel sneller, en reduceert het aantal stappen in het proces tot slechts twee:lithografie en plasma-etsen.

Bij de eerste demonstratie van hun techniek, de onderzoekers gebruikten elektronenstraallithografie en een milde plasma-etstechniek om grafeenstrepen van één atoom dik op een germaniumwafel te patroon. Daarna spin-coaten ze de wafel met een gewoon blokcopolymeer genaamd polystyreen-blok-poly (methylmethacrylaat).

Bij verhitting, het blokcopolymeer zelf-geassembleerd in slechts 10 minuten - vergeleken met 30 minuten met conventionele chemische patronen - en met minder defecten. De onderzoekers schrijven deze snelle montage toe aan de soepele, onbuigzaam, kristallijne oppervlakken van germanium en grafeen.

Hun nieuwe methode maakt gebruik van een fenomeen dat dichtheidsvermenigvuldiging wordt genoemd. De onderzoekers gebruikten elektronenstraallithografie om eerst een grotere mastersjabloon te maken met schaarse patronen die de oriëntatie van hun blokcopolymeren begeleiden.

Toen ze het blokcopolymeer opdroegen om zichzelf te assembleren, het deed dit op een manier die de resolutie van de originele sjabloon verbeterde - in dit geval met een factor 10. De beste eerdere verbetering door dichtheidsvermenigvuldiging was een factor vier.

Terwijl het streeppatroon een eenvoudige demonstratie van hun techniek was, de onderzoekers toonden ook aan dat het werkt met meer architectonisch complexe of onregelmatige patronen, inclusief die met abrupte bochten van 90 graden.

"Deze sjablonen bieden een opwindend alternatief voor traditionele chemische patronen die zijn samengesteld uit polymeermatten en borstels, omdat ze een snellere montagekinetiek bieden en het verwerkingsvenster verbreden, terwijl het ook een inert, mechanisch en chemisch robuust, en uniforme sjabloon met goed gedefinieerde en scherpe materiële interfaces, "zegt Neley.

De techniek stelt hen in staat om de uniformiteit en eenvoudigere verwerking van traditionele "top-down" lithografische methoden te combineren met de voordelen van "bottom-up" assemblage en grotere dichtheidsvermenigvuldiging, en biedt een veelbelovende route voor grootschalige productie tegen aanzienlijk lagere kosten.

"Het gebruik van deze één-atoom-dikke grafeensjabloon is nog nooit eerder gedaan. Het is een nieuwe sjabloon om de zelfassemblage van de polymeren te begeleiden, " zegt Ma. "Dit is compatibel met massaproductie. We hebben de deur geopend voor nog kleinere functies."