Polymer-Nanodrähte, die sich in senkrechten Schichten zusammenfügen, könnten einen Weg zu kleineren Chip-Komponenten bieten

Fallout- Viren die Leitfähige Geladenen Nanodrähte bauen (Juni 2019).

Anonim

Seit den 1960er Jahren wurden Computerchips unter Verwendung eines Prozesses, der Photolithographie genannt wird, gebaut. Aber in den letzten fünf Jahren wurden die Chipeigenschaften kleiner als die Wellenlänge des Lichts, was einige geniale Modifikationen photolithographischer Prozesse erforderlich machte. Die von uns erwartete Geschwindigkeit der Schaltungsmini- taturisierung - wie vom Mooreschen Gesetz vorhergesagt - erfordert schließlich neue Fertigungstechniken.

Blockcopolymere, Moleküle, die sich spontan zu nützlichen Formen selbstorganisieren, sind eine vielversprechende Alternative zur Photolithographie. In einer neuen Arbeit in der Zeitschrift Nature Communications beschreiben MIT-Forscher die erste Technik zum Stapeln von Schichten aus Blockcopolymerdrähten, so dass die Drähte in einer Schicht sich natürlich senkrecht zu denen in der darunter liegenden Schicht ausrichten.

Die Fähigkeit, solche "Gitterstrukturen" leicht herzustellen, könnte die Selbstorganisation zu einem viel praktischeren Weg machen, um Speicher, optische Chips und sogar zukünftige Generationen von Computerprozessoren herzustellen.

"Es gibt frühere Arbeiten zur Herstellung einer Gitterstruktur - zum Beispiel unsere Arbeit", sagt Amir Tavakkoli, ein Postdoc im Forschungslabor für Elektronik des MIT und einer von drei Erstautoren der neuen Arbeit. "Wir verwendeten Pfosten, die wir durch Elektronenstrahllithographie hergestellt hatten, was zeitaufwendig ist. Aber hier verwenden wir keine Elektronenstrahllithographie. Wir verwenden die erste Schicht aus Blockcopolymer als Vorlage, um eine weitere Schicht selbst zu bilden von Blockcopolymer darüber. "

Tavakkoli Co-Erstautoren auf dem Papier sind Sam Nicaise, ein Doktorand in Elektrotechnik, und Karim Gadelrab, ein Student in Materialwissenschaften und Maschinenbau. Die älteren Autoren sind Alfredo Alexander-Katz, der Walter Henry Gale Associate Professor für Materialwissenschaften und -technik; Caroline Ross, die Toyota Professorin für Materialwissenschaften und -technik; und Karl Berggren, Professor für Elektrotechnik.

Unglückliche Paare

Polymere sind lange Moleküle, die aus in Ketten aufgereihten molekularen Grundeinheiten bestehen. Kunststoffe sind Polymere, ebenso wie biologische Moleküle wie DNA und Proteine. Ein Copolymer ist ein Polymer, das durch Verbinden zweier verschiedener Polymere hergestellt wird.

In einem Blockcopolymer werden die konstituierenden Polymere so ausgewählt, dass sie chemisch miteinander inkompatibel sind. Es sind ihre Versuche, sich voneinander zu entfernen - sowohl innerhalb einer einzelnen Polymerkette als auch innerhalb eines Polymerfilms -, die bewirkt, dass sie sich selbst organisieren.

In den Fall der MIT-Forscher ist eines der konstituierenden Polymere auf Kohlenstoffbasis, das andere auf Siliziumbasis. In ihren Bemühungen, dem Polymer auf Kohlenstoffbasis zu entfliehen, falten sich die Polymere auf Siliziumbasis auf sich selbst und bilden Zylinder mit Schleifen aus Polymer auf der Basis von Silicium auf der Innenseite und dem anderen Polymer auf der Außenseite. Wenn die Zylinder einem Sauerstoffplasma ausgesetzt werden, verbrennt das Polymer auf Kohlenstoffbasis und das Silicium oxidiert, wobei glasartige Zylinder an einer Basis haften.

Um eine zweite Schicht von Zylindern zusammenzubauen, wiederholen die Forscher einfach den Prozess, wenngleich sie Copolymere mit leicht unterschiedlichen Kettenlängen verwenden. Die Zylinder in der neuen Schicht orientieren sich natürlich senkrecht zu denen in der ersten.

Die chemische Behandlung der Oberfläche, auf der die erste Gruppe von Zylindern gebildet wird, bewirkt, dass sie sich in parallelen Reihen aufreihen. In diesem Fall wird die zweite Zylinderschicht auch parallele Reihen bilden, die senkrecht zu denen in der ersten stehen.

Aber wenn sich die Zylinder in der unteren Schicht willkürlich bilden können und sich zu komplizierten Schleifenmustern hinziehen, behalten die Zylinder in der zweiten Schicht ihre relative Orientierung bei und bilden ihre eigenen komplizierten, aber senkrechten Muster.

Die geordnete Netzstruktur ist diejenige, die die offensichtlichsten Anwendungen hat, aber die ungeordnete Netzstruktur ist vielleicht die beeindruckendere technische Leistung. "Das sind die Materialwissenschaftler, die begeistert sind", sagt Nicaise.

Warum und warum

Glasartige Drähte sind für elektronische Anwendungen nicht direkt nützlich, aber es könnte möglich sein, sie mit anderen Arten von Molekülen zu säen, was sie elektronisch aktiv machen würde, oder sie als eine Schablone zum Abscheiden anderer Materialien zu verwenden. Die Forscher hoffen, dass sie ihre Ergebnisse mit funktionelleren Polymeren reproduzieren können. Zu diesem Zweck mussten sie den Prozess, der ihre Ergebnisse lieferte, theoretisch charakterisieren. "Wir verwenden Computersimulationen, um die Schlüsselparameter zu verstehen, die die Polymerorientierung steuern", sagt Gadelrab.

Was sie fanden, war, dass die Geometrie der Zylinder in der unteren Schicht die möglichen Orientierungen der Zylinder in der oberen Schicht begrenzte. Wenn die Wände der unteren Zylinder zu steil sind, um den oberen Zylindern das bequeme Einsetzen zu ermöglichen, versuchen die oberen Zylinder, eine andere Ausrichtung zu finden.

Es ist auch wichtig, dass die oberen und unteren Schichten nur schwache chemische Wechselwirkungen haben. Andernfalls werden die oberen Zylinder versuchen, sich wie Stapel auf einem Stapel auf die unteren zu stapeln.

Beide Eigenschaften - Zylindergeometrie und chemische Wechselwirkung - können aus der Physik von Polymermolekülen vorhergesagt werden. So sollte es möglich sein, andere Polymere zu identifizieren, die das gleiche Verhalten zeigen.

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