Sedan civilisationens början, människor har utnyttjat nytt material för att förbättra sina liv, från förhistorisk stenålder, Bronsåldern, och järnåldern till den moderna kiselåldern. Med varje period kom tekniska genombrott som förändrade vårt sätt att leva. Tänk på 1961 års uppfinning av kiselchipset, som banade väg för den digitala revolutionen. Utan denna lilla elektroniska komponent, vi skulle inte ha några bärbara datorer eller mobiltelefoner.

Att ta itu med dagens utmaningar kommer på liknande sätt att kräva materiella framsteg. Till exempel, hur gör vi solpaneler som omvandlar solljus till el mer effektivt? Batterier som håller längre? Ständigt mindre elektroniska enheter? Forskare söker lösningar på just dessa frågor genom materialvetenskap och ingenjörskonst. De både förbättrar prestandan hos befintliga material och skapar helt nya material med oöverträffade egenskaper.

Under det senaste decenniet, forskare vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) vid U.S. Department of Energy (DOE) Brookhaven National Laboratory har etablerat sig som ledare inom detta område. Särskilt, de utvecklar en ny metod för att tillverka material:infiltrationssyntes.

Som namnet antyder, infiltrationssyntes innebär infiltrering, eller infusion, ett material till ett annat. Genom att infundera ett oorganiskt (icke-kolhaltigt) material i ett organiskt (kolinnehållande) material, man kan generera ett "hybrid" material med egenskaper som inte syns i någon av utgångskomponenterna. De organiska arterna kan vara tunna polymerfilmer, polymerer mönstrade i en viss geometrisk form med hjälp av en ljuskälla eller elektronstråle (en teknik som kallas litografi), polymerer självmonterade från två eller flera kemiskt distinkta "block" (segmentsampolymer), eller till och med egenmonterade DNA-strukturer. Infiltration sker när den organiska matrisen exponeras för oorganiskt innehållande gas eller flytande prekursorer (utgångsmaterial) i en omväxlande ordning.

Genom att placera hybridmaterialet under syreplasma (en elektriskt laddad gas) eller i en syremiljö med hög temperatur, forskare kan också selektivt ta bort den organiska komponenten. Den oorganiska delen ligger kvar och ärver det organiska "mall"-mönstret, vilket är användbart för att skapa oorganiska nanostrukturer och integrera dem i elektroniska enheter.

"Konventionella rena kemibaserade tillvägagångssätt som kemisk syntes är komplexa, " förklarade Chang-Yong Nam, en vetenskapsman i CFN Electronic Nanomaterials Group som leder forskningen om infiltrationssyntes. "Det finns ingen garanti för att du kommer att få de egenskaper du riktar dig mot. Och att skapa mycket små funktioner - som är viktiga för att göra elektroniska enheter - är svårt. Infiltrationssyntes tar itu med dessa problem, och de nödvändiga verktygen är lätt tillgängliga i alla nanotillverkningsanläggningar."

Namn, CFN-kollegor, och externa medarbetare har visat hur infiltrationssyntes kan användas för att skapa en mängd nya funktionella material, möjliggör en mängd olika applikationer.

2015, de använde infiltrationssyntes och litografi för att mönstra oorganiska nanotrådar – trådformade strukturer med en bredd i storleksordningen miljarddels meter – till en transistor. Denna studie var den första som visade att tekniken kunde användas för att mönstra en elektronisk enhet. Utvidga detta initiala koncept, de gjorde uppsättningar av perfekt inriktade nanotrådar till mycket känsliga fotodetektorer av ultraviolett (UV) ljus. För att öka känsligheten ytterligare, de konverterade staplade självmonterande blocksampolymermönster till en 3D "nanomesh" -arkitektur. Den stora ytan och porerna som möjliggörs av denna 3D-lagrade geometri möjliggjorde placeringen av många fler nanotrådsavkänningselement.

Denna kombination av självmontering av blocksampolymer och infiltrationssyntes har också möjliggjort olika innovationer av andra forskarlag vid CFN. Till exempel, ett team använde tekniken för att strukturera ytan på kiselsolceller med konformade nanostrukturer. Liknande små strukturer täcker malögon för att förhindra ljusreflektion, och forskarna visade denna antireflekterande effekt i de nanotexturerade solcellerna, liksom på "osynliga glas" ytor. När ljus träffar en solcell, du vill minimera reflektion (eller alternativt, maximera absorptionen) så att solenergin effektivt kan omvandlas till elektricitet. Och för skärmar på datorer, mobiltelefoner, och annan elektronik, du vill eliminera ljusreflektion för att förhindra bländning.

Efter dessa studier om oorganiska material, forskarna började utforska egenskaperna hos hybrider av organiskt-oorganiskt material som också genereras av infiltrationssyntes. Till exempel, de skapade hybrid "nanopelare" som uppvisar både den höga hållfastheten hos en metall och den låga styvheten hos skum. Med denna sällsynta kombination av mekaniska egenskaper, materialet kan lagra och frigöra en oöverträffad mängd elastisk energi, vilket gör den användbar för enheter som kräver ultrasmå fjädrar, spakar, eller motorer – som accelerometrar, resonatorer, och biosyntetiska konstgjorda muskler.

Forskarna visade också hur hybrider kan fungera som optiska beläggningar som reflekterar specifika våglängder av ljus; mycket känsliga syre- och vattensensorer; fotoresister för att överföra ultrasmå egenskaper till kisel för nästa generations mikroelektronik; all-around beläggningar på individuella nanopartiklar för cellmärkning och spårning i biologisk avbildning; och kontrastmedel för att visualisera den komplexa geometrin hos 3D-blocksampolymerer.

"Det fantastiska med infiltrationssyntes är justerbarheten, sa Kevin Yager, ledare för CFN Electronic Nanomaterials Group. "Du kan mycket exakt ställa in önskade materialegenskaper genom att välja rätt infiltrationsmedel och rätt laddningsnivå. Detta låter dig inrikta dig på ett stort antal applikationer och optimera materialet för varje specifik uppgift."

På senare tid, forskarna har studerat lämpligheten av deras hybridresist för extrem UV (EUV) litografi. Halvledarteknikföretag använder denna framväxande teknik för att krympa transistorer – byggstenarna i elektroniska komponenter som centrala bearbetningsenheter (CPU) och RAM-minne – ner under fem nanometer. Genom att minska funktionsdimensionerna kommer det att möjliggöra tillverkning av elektroniska enheter med ökade bearbetningshastigheter och lägre strömförbrukning. Trots löftet om EUV-litografi, flera utmaningar kvarstår, inklusive behovet av högkänsliga resists.

"EUV-litografi kräver resister som kan absorbera en stor mängd EUV-ljus, och organiska material saknar vanligtvis denna kapacitet, " förklarade Nam. "Att infiltrera en oorganisk art i den organiska komponenten kan förbättra absorptionsförmågan."

Även om många grupper nu utvecklar resistteknologier, en grundläggande förståelse för infiltrationskemin och EUV-exponeringsprocessen i resist saknas. Nam och hans team har börjat studera denna mekanism i deras hybridresist genom elektronstrålelitografi och lågenergielektronmikroskopi vid CFN och röntgenspridnings- och absorptionsspektroskopi vid Soft Matter Interfaces (SMI) och Spectroscopy Soft and Tender (STT) ) strållinjer från Brookhaven's National Synchrotron Light Source II. They are also exploring the EUV exposure characteristics and patterning performance of the hybrid resists at the Microfield Exposure Tool (MET) beamline—a private EUV beamline sponsored by leading semiconductor companies, including Intel Corporation and Samsung Electronics—of Lawrence Berkeley National Lab's Advanced Light Source. Their preliminary results provided important feedback on how to optimize the infiltration chemistry and method for enhanced EUV sensitivity.

The team is also making a hybrid-based neuromorphic switching device, which models the way the brain computes and transmits information. In initial demonstrations, their hybrid structure showed potential in mimicking the action of brain synapses, or the connections between neurons. They also found that the hybridization significantly reduced device-to-device performance variability, which is critical for creating practical, large-scale neuromorphic device arrays. Such brain-inspired computing would offer significant leaps in energy efficiency and processing speed for artificial intelligence tasks such as learning, searching, and sensing.

"Moving forward, there's still a lot we can do with infiltration synthesis, " said Nam. "We're excited to continue exploring its diverse applications for next-generation micro- and nanoelectronics and energy technologies, with the hope of contributing to the transformation of our future society."