De microscopisch kleine componenten waaruit computerchips bestaan, moeten op duizelingwekkende schaal worden gemaakt. Met miljarden transistors in een enkele processor, elk gemaakt van meerdere materialen die zorgvuldig zijn gerangschikt in patronen zo dun als een DNA-streng, moeten hun productietools ook op moleculair niveau werken.

Meestal omvatten deze tools het gebruik van stencils om materialen selectief te patroon of te verwijderen met hifi, laag na laag, om elektronische apparaten op nanoschaal te vormen. Maar omdat chips op steeds meer componenten moeten passen om de groeiende computerbehoeften van de digitale wereld bij te houden, moeten deze stencils voor nanopatronen ook kleiner en nauwkeuriger worden.

Nu heeft een team van Penn Engineers aangetoond hoe een nieuwe klasse polymeren precies dat zou kunnen doen. In een nieuwe studie toonden de onderzoekers aan hoe "multiblok"-copolymeren uitzonderlijk geordende patronen in dunne films kunnen produceren, waarbij afstanden kleiner dan drie nanometer worden bereikt.

Het team, geleid door Karen Winey, Harold Pender-hoogleraar in de departementen Materials Science and Engineering en Chemical and Biomolecular Engineering, en Jinseok Park, een afgestudeerde student in haar laboratorium, publiceerde deze bevindingen in het tijdschrift ACS Central Science ik> . Ze werkten samen met Anne Staiger en professor Stefan Mecking van de Universiteit van Konstanz, Duitsland.

De stencils die worden gebruikt bij het maken van chips hebben patronen op nanoschaal die op verschillende manieren kunnen worden geproduceerd. Fijne lijntjes en kleine puntjes kunnen bijvoorbeeld worden geproduceerd met een techniek die bekend staat als gerichte zelfassemblage (DSA), waarbij de polymeerchemie zo is ontworpen dat deze automatisch de gewenste geometrie produceert.

De huidige DSA-methoden maken gebruik van "diblok"-copolymeren, genoemd naar het feit dat twee lange blokken van verschillende polymeren van begin tot eind aan elkaar zijn gehecht, die vervolgens worden samengevoegd om de nodige patronen te produceren.

"Toen fotolithografie niet kleiner kon, werd DSA met diblokcopolymeren belangrijk", zegt Winey. "Maar om de lijnen of punten te krijgen die je nodig hebt voor nanopatronen, moeten beide blokken een specifieke lengte hebben, en dat is nog steeds iets dat moeilijk precies te controleren is."

Zonder de juiste lengteverhouding vormen de blokken in een diblokcopolymeer lijnen of stippen met enige variatie in hun afmetingen, waardoor ze minder bruikbaar zijn als stencils.

Samen bedachten de onderzoekers van Penn en Konstanz een manier om deze verhouding nauwkeuriger te controleren. In plaats van twee grote blokken van verschillende polymeren aan elkaar te plakken, gebruiken ze een techniek die bekend staat als "step growth polymerization" om perfect af te wisselen tussen twee kleinere blokken.

"Vergeleken met diblock," zegt Winey, "bieden deze multiblokcopolymeren een breder scala aan chemie en betere moleculaire controle. Dat komt omdat elk A-blok en elk B-blok exact dezelfde lengte hebben, wat een grotere uniformiteit in het patroon zal opleveren. "

Een cruciaal verschil dat deze uniformiteit kan maken, is het vermogen van het polymeer om zichzelf gemakkelijker te assembleren tot een "co-continue dubbele gyroid-structuur" in een dunne film. Deze opstelling is met name handig voor het regelen van transporteigenschappen, omdat het de polaire en niet-polaire gebieden van de polymeren scheidt.

"Het continu geladen domein kan de geleidbaarheid van geladen of polaire soorten, zoals water of ionen, bevorderen en het continue niet-polaire domein zorgt voor mechanische sterkte", zegt Winey.

De onderzoekers onderzoeken nu hoe deze dunne-filmstructuren het beste kunnen worden omgezet in functionele stencils voor nanopatronen, en ontwikkelen een bibliotheek van verschillende multiblokcopolymeerchemieën die dubbele gyroid-structuren kunnen vormen. + Verder verkennen

Sterke, rekbare, zelfherstellende polymeren herstellen snel van schade