Forskare vid MIT har hittat ett nytt sätt att göra komplexa tredimensionella strukturer med hjälp av självmonterade polymermaterial som bildar små trådar och korsningar. Arbetet har potential att inleda en ny generation av mikrochips och andra enheter som består av submikroskopiska egenskaper.
Även om liknande självmonterande strukturer med mycket fina trådar har tillverkats tidigare, detta är första gången strukturerna har utökats till tre dimensioner med olika, oberoende konfigurationer på olika lager, säger forskarna. Forskningen publiceras denna vecka i tidskriften Vetenskap .
Caroline Ross, Toyota professor i materialvetenskap och teknik vid MIT, säger att det har funnits "mycket intresse" bland halvledarforskare för att hitta sätt att producera chipfunktioner som är mycket smalare än ljusets våglängd - och därmed smalare än vad som kan uppnås med dagens ljusbaserade tillverkningssystem. Självmontering baserad på polymerer har varit ett aktivt forskningsområde, Ross säger, men "vad vi gjorde i denna tidning var att driva det in i den tredje dimensionen."
Hon och hennes kollegor började med att skapa en rad små stolpar på ett underlag av kisel; de belade sedan ytan med material som kallas blocksampolymerer, som har en naturlig tendens att samlas i långa cylindriska strukturer. Genom att noggrant kontrollera det initiala avståndet mellan stolparna, Ross förklarar, forskarna kunde ställa in avståndet, vinklar, böjar och kopplingar av cylindrarna som bildas på ytan. Vad mer, hon säger, ”Var och en av de två lagren av cylindrar kan styras oberoende av varandra med hjälp av dessa stolpar, ” gör det möjligt att skapa komplexa 3D-konfigurationer.
Amir Tavakkoli, en besökande doktorand från National University of Singapore och huvudförfattare till Vetenskap papper, säger att många forskare har försökt producera komplexa arrangemang av nanoskala ledningar genom självmontering. Men tidigare försök använde komplexa processer med många steg, och hade misslyckats med att kontrollera de resulterande konfigurationerna väl. Det nya systemet är enklare, Tavakkoli säger, och "kontrollerade inte bara inriktningen av ledningarna, men visade att vi till och med kan ha skarpa kurvor och korsningar” på exakt bestämda platser.
"Det förväntades inte vara möjligt, ” säger MIT-studenten Kevin Gotrik. - Det var ett överraskande resultat. Vi snubblade över det, och fick sedan ta reda på hur det fungerar. ”
Det fanns ett antal hinder att övervinna för att göra systemet praktiskt, säger Gotrik. Till exempel, stolparna tillverkade på ytan är nyckeln till att kontrollera hela självmonteringsprocessen, men de måste vara ganska lite högre än de är breda, vilket kan leda till att en del välter; MIT-teamet hittade till slut material och former som skulle vara stabila. "Vi utforskade ett brett spektrum av förhållanden, säger Gotrik.
Doktorand Adam Hannon säger att teamet använde datorsimuleringar av strukturerna för att utforska effekterna av olika postkonfigurationer på dubbelskikts 3D-strukturen. Dessa simuleringar jämfördes med de mest lovande strukturerna som observerats i laboratoriet för att få större insikt i hur man kontrollerar de resulterande strukturerna som bildades.
Än så länge, MIT-teamet har bara producerat tvålagerskonfigurationer, men Alfredo Alexander-Katz, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik, säger, "Jag tror att det skulle vara möjligt att gå till tre lager" samtidigt som man fortfarande har full kontroll över arrangemanget av strukturer på varje lager.
En viktig möjliggörande teknik var MIT -laboratoriets förmåga, med hjälp av elektronstrålelitografi, att göra 10 nanometer breda cylindriska stolpar med exakt kontrollerad positionering. Dessa inlägg, i tur och ordning, styra placeringen av de självmonterande cylindrarna. Karl Berggren, docent i elektroteknik, säger att det är som om litografin lägger ner en rad pelare, och dessa pelare styr sedan komplexet, flernivådirigering av korsande motorvägar.
I tidigare arbeten, MIT-forskarna hade visat att denna självmonteringsmetod kunde användas för att skapa ledningar som är mycket finare än de som kan göras med befintliga fotolitografitekniker för att producera mikrochips - och därmed hjälpa till att leda vägen till nästa generations enheter som packar ännu mer ledningar och transistorer till ett givet område av kiselchipsmaterial. "I princip detta är skalbart till ganska små dimensioner, " säger Ross, mycket mindre än 15 nanometers bredd på de hittills producerade cylindrarna - vilket redan är mindre än hälften av bredden på de finaste trådarna i befintliga mikrochips.
De inblandade grundläggande teknologierna är kompatibla med befintlig tillverkningsutrustning inom halvledarindustrin, säger forskarna. Men detta är grundforskning som förmodligen fortfarande är långt ifrån faktisk chipproduktion, de varnar. Inom nästa år hoppas teamet kunna använda denna metod för att producera en enkel elektronisk enhet.
Tekniken är inte begränsad till att producera trådar på ett kiselchip, säger Ross och hennes kollegor. Samma metod kan användas för att skapa 3D-matriser av andra typer av material-såsom proteiner eller DNA-molekyler, till exempel — för att skapa biologiska detektorer eller system för läkemedelsleverans.
Craig Hawker, en professor i kemi och biokemi vid University of California i Santa Barbara, säger att detta är ett långtgående fynd, ” som ”räcker långt för att uppfylla kraven i International Technology Roadmap for Semiconductors, vilket kräver en robust, kommersiellt gångbar nanomönsterteknik."
Hawker tillägger, "Robustheten och kraften i detta tillvägagångssätt kan också leda till tillämpningar utanför litografi och mikroelektronik, med inverkan på vattenrening, membran och organisk solceller. ”Han säger att detta arbete är” ett spektakulärt exempel på tvärvetenskapligt arbete, med framsteg inom kemi, fysik och nanoteknik kombineras sömlöst för att hantera ett kritiskt tekniskt och viktigt samhällsproblem. ”
Arbetet stöddes av Semiconductor Research Corporation, FENA -centret, Nanoelectronics Research Initiative, Singapore-MIT Alliance, National Science Foundation, Tokyo Electron och Taiwan Semiconductor Manufacturing Company.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
