Sedan 1960-talet, datorchips har byggts med en process som kallas fotolitografi. Men under de senaste fem åren, chipfunktioner har blivit mindre än ljusets våglängd, vilket har krävt några geniala modifieringar av fotolitografiska processer. Att hålla uppe den hastighet av kretsminiatyrisering som vi har börjat förvänta oss – som förutspåtts av Moores lag – kommer så småningom att kräva nya tillverkningstekniker.

Blocksampolymerer, molekyler som spontant sätts ihop till användbara former, är ett lovande alternativ till fotolitografi. I en ny tidning i tidningen Naturkommunikation , MIT-forskare beskriver den första tekniken för att stapla lager av block-sampolymertrådar så att trådarna i ett lager naturligt orienterar sig vinkelrätt mot dem i lagret nedan.

Möjligheten att enkelt producera sådana "nätstrukturer" skulle kunna göra självmontering till ett mycket mer praktiskt sätt att tillverka minne, optiska chips, och även framtida generationer av datorprocessorer.

"Det finns tidigare arbete med att tillverka en nätstruktur - till exempel vårt arbete, " säger Amir Tavakkoli, en postdoc vid MIT:s Research Laboratory of Electronics och en av tre första författare på den nya uppsatsen. "Vi använde stolpar som vi hade tillverkat med elektronstrålelitografi, vilket är tidskrävande. Men här, vi använder inte elektronstrålelitografi. Vi använder det första lagret av blocksampolymer som en mall för att självmontera ett annat lager av blocksampolymer ovanpå det."

Tavakkolis medförfattare på tidningen är Sam Nicaise, en doktorand i elektroteknik, och Karim Gadelrab, en doktorand i materialvetenskap och teknik. Seniorförfattarna är Alfredo Alexander-Katz, Walter Henry Gale docent i materialvetenskap och teknik; Caroline Ross, Toyota-professorn i materialvetenskap och teknik; och Karl Berggren, professor i elektroteknik.

Olyckliga par

Polymerer är långa molekyler gjorda av grundläggande molekylära enheter uppträdda i kedjor. Plast är polymerer, och så är biologiska molekyler som DNA och proteiner. En sampolymer är en polymer som görs genom att sammanfoga två olika polymerer.

I en blocksampolymer, de ingående polymererna är valda så att de är kemiskt inkompatibla med varandra. Det är deras försök att driva bort varandra – både inom en enda polymerkedja och inom en polymerfilm – som får dem att organisera sig själv.

I MIT-forskarnas fall, en av de ingående polymererna är kolbaserad, den andra kiselbaserad. I sina ansträngningar att undkomma den kolbaserade polymeren, de kiselbaserade polymererna viker in i sig själva, bildar cylindrar med öglor av kiselbaserad polymer på insidan och den andra polymeren med borst på utsidan. När cylindrarna utsätts för ett syreplasma, den kolbaserade polymeren brinner bort och kislet oxiderar, lämnar glasliknande cylindrar fästa vid en bas.

För att montera ett andra lager av cylindrar, forskarna upprepar helt enkelt processen, även om man använder sampolymerer med något olika kedjelängder. Cylindrarna i det nya lagret orienterar sig naturligtvis vinkelrätt mot dem i det första.

Kemisk behandling av ytan på vilken den första gruppen av cylindrar bildas kommer att få dem att radas upp i parallella rader. Isåfall, det andra lagret av cylindrar kommer också att bilda parallella rader, vinkelrätt mot dem i den första.

Men om cylindrarna i bottenskiktet tillåts bildas på måfå, slingrar sig ut i utarbetat, slingmönster, cylindrarna i det andra lagret kommer att behålla sin relativa orientering, skapa sina egna utarbetade, men vinkelrätt, mönster.

Den ordnade nätstrukturen är den som har de mest uppenbara tillämpningarna, men den oordnade är kanske den mer imponerande tekniska bedriften. "Det är den som materialforskarna är entusiastiska över, säger Nicaise.

Varför och varför

Glasliknande ledningar är inte direkt användbara för elektroniska applikationer, men det kan vara möjligt att så dem med andra typer av molekyler, vilket skulle göra dem elektroniskt aktiva, eller att använda dem som mall för att deponera annat material. Forskarna hoppas att de kan återskapa sina resultat med mer funktionella polymerer. För detta ändamål, de var tvungna att teoretiskt karakterisera processen som gav deras resultat. "Vi använder datorsimuleringar för att förstå nyckelparametrarna som styr polymerorienteringen, " säger Gadelrab.

Vad de fann var att cylindrarnas geometri i bottenskiktet begränsade de möjliga orienteringarna av cylindrarna i det övre skiktet. Om väggarna på de nedre cylindrarna är för branta för att de övre cylindrarna ska kunna passa in bekvämt, de övre cylindrarna kommer att försöka hitta en annan orientering.

Det är också viktigt att de övre och nedre skikten endast har svaga kemiska interaktioner. Annat, de övre cylindrarna kommer att försöka stapla sig själva ovanpå de nedre som stockar på en hög.

Båda dessa egenskaper - cylindergeometri och kemisk interaktion - kan förutsägas utifrån polymermolekylernas fysik. Så det borde vara möjligt att identifiera andra polymerer som kommer att uppvisa samma beteende.

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.