Прорыв в самосборной электронике: исследователи продемонстрировали новый метод фабрикации устройств

Electronics & Sensors INSIDER

Структуры, созданные методом D-Met, производят компоненты для потенциального использования в МЭМС. (Изображение: Julia Chang)

Новый метод самосборки

Исследователи продемонстрировали новую технику для самосборки электронных устройств. Концептуальная работа использовалась для создания диодов и транзисторов и проложила путь к самосборке более сложных электронных устройств без зависимости от существующих технологий производства компьютерных чипов.

«Существующие методы производства чипов включают множество этапов и полагаются на экстремально сложные технологии, что делает процесс дорогим и долгим», — сказал Мартин Тхуо, соответствующий автор работы и профессор материаловедения и инженерии в Северной Каролине. «Наш подход самосборки значительно быстрее и дешевле. Мы также продемонстрировали, что можем использовать процесс для настройки запрещенной зоны полупроводниковых материалов и сделать их чувствительными к свету — то есть эту технику можно использовать для создания оптоэлектронных устройств.

«Кроме того, текущие производственные методы имеют низкий выход, то есть производят относительно большое количество бракованных чипов, которые нельзя использовать. Наш подход дает высокий выход — более стабильное производство массивов и меньше отходов».

Направленная металл-лигандная реакция (D-Met)

Тхуо называет новую технику самосборки направленной металл-лигандной (D-Met) реакцией. Начинают с жидкометаллических частиц. Для концептуальной работы использовали металл Филда — сплав индия, висмута и олова. Жидкометаллические частицы помещают рядом с формой, которая может быть любого размера или узора. Затем на жидкометалл наливают раствор, содержащий молекулы, называемые лигандами, состоящие из углерода и кислорода. Эти лиганды собирают ионы с поверхности жидкометалла и удерживают их в специфической геометрической конфигурации. Раствор течет через жидкометаллические частицы и втягивается в форму.

По мере заполнения формы раствором, иноносущие лиганды начинают самособираться в более сложные трехмерные структуры. Одновременно жидкая часть раствора испаряется, что сближает сложные структуры в массив.

«Без формы эти структуры могут образовывать хаотичные узоры», — сказал Тхуо. «Но поскольку раствор ограничен формой, структуры формируются в предсказуемых, симметричных массивах».

Когда структура достигает желаемого размера, форму удаляют и массив нагревают. Тепло разрушает лиганды, освобождая атомы углерода и кислорода. Металлические ионы взаимодействуют с кислородом, образуя полупроводниковые оксиды металлов, в то время как атомы углерода формируют листы графена. Эти ингредиенты самособираются в хорошо упорядоченную структуру, состоящую из молекул полупроводниковых оксидов металлов, обернутых в листы графена. Исследователи использовали эту технику для создания наномасштабных и микромасштабных транзисторов и диодов.

Настройка свойств через графен

«Листы графена можно использовать для настройки запрещенной зоны полупроводников, делая их более или менее чувствительными в зависимости от качества графена», — сказала Джулия Чанг, первый автор работы и постдокторант в NC State. Кроме того, поскольку исследователи использовали висмут в концептуальной работе, они смогли создать фоточувствительные структуры. Это позволяет манипулировать свойствами полупроводников с помощью света.

«Природа D-Met-техники означает, что эти материалы можно производить в большом масштабе — вы ограничены только размером используемой формы», — сказал Тхуо. «Вы также можете контролировать полупроводниковые структуры, манипулируя типом жидкости в растворе, размерами формы и скоростью испарения раствора.

«Короче, мы показали, что можем самособирать высокоструктурированные, высоконастраиваемые электронные материалы для использования в функциональных электронных устройствах», — сказал Тхуо. «Эта работа продемонстрировала создание транзисторов и диодов. Следующий шаг — использовать эту технику для изготовления более сложных устройств, таких как трехмерные чипы».

Источник