För att fortsätta avancera, nästa generations elektroniska enheter måste utnyttja nanoskala fullt ut, där material sträcker sig bara miljarder av en meter. Men balanserar komplexitet, precision, och att tillverka skalbarhet på så fantastiskt små skalor är oundvikligen svårt. Lyckligtvis, vissa nanomaterial kan lockas till att snappa sig till önskade formationer-en process som kallas självmontering.

Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har just utvecklat ett sätt att styra självmontering av flera molekylära mönster i ett enda material, producerar nya nanoskalaarkitekturer. Resultaten publicerades i tidningen Naturkommunikation .

"Detta är ett betydande begreppssprång i självmontering, "sa Brookhaven Lab -fysikern Aaron Stein, huvudförfattare på studien. "Förr, vi var begränsade till ett enda framväxande mönster, men denna teknik bryter den barriären med relativt enkelhet. Detta är viktigt för grundforskning, säkert, men det kan också förändra vårt sätt att designa och tillverka elektronik. "

Mikrochips, till exempel, använda noggrant mönstrade mallar för att producera de nanoskala strukturer som behandlar och lagrar information. Genom självmontering, dock, dessa strukturer kan spontant bildas utan det uttömmande preliminära mönstret. Och nu, självmontering kan generera flera olika mönster-kraftigt öka komplexiteten hos nanostrukturer som kan bildas i ett enda steg.

"Denna teknik passar ganska enkelt in i befintliga arbetsflöden för tillverkning av mikrochip, "säger studiemedförfattaren Kevin Yager, också en Brookhaven -fysiker. "Det är spännande att göra en grundläggande upptäckt som en dag kan hitta in i våra datorer."

Det experimentella arbetet utfördes helt på Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility, utnyttja egen expertis och instrumentering.

Koka upp organiserad komplexitet

Samarbetet använde block-sampolymer-kedjor av två distinkta molekyler kopplade ihop-på grund av deras inneboende förmåga att självmontera.

"Så kraftfull som självmontering är, vi misstänkte att vägledningen av processen skulle förbättra den för att skapa verkligt '' lyhörd '' självmontering, "sa studiemedförfattaren Greg Doerk från Brookhaven." Det var precis där vi drev det. "

För att styra självmontering, forskare skapar exakta men enkla substratmallar. Med en metod som kallas elektronstråle litografi-Steins specialitet-etsar de mönster tusentals gånger tunnare än ett människohår på mallytan. De lägger sedan till en lösning som innehåller en uppsättning block -sampolymerer på mallen, snurra underlaget för att skapa en tunn beläggning, och "baka" det hela i en ugn för att sparka molekylerna i form. Termisk energi driver växelverkan mellan blocksampolymererna och mallen, ställa in den slutliga konfigurationen-i det här fallet, parallella linjer eller prickar i ett rutnät.

"Vid konventionell självmontering, de sista nanostrukturerna följer mallens riktlinjer, men är av en enda mönstertyp, "Sade Stein." Men det har bara förändrats. "

Linjer och prickar, bo tillsammans

Samarbetet hade tidigare upptäckt att blandning av olika blocksampolymerer möjliggjorde flera, co-existerande linje och prick nanostrukturer att bilda.

"Vi hade upptäckt ett spännande fenomen, men kunde inte välja vilken morfologi som skulle dyka upp, " Yager said. But then the team found that tweaking the substrate changed the structures that emerged. By simply adjusting the spacing and thickness of the lithographic line patterns-easy to fabricate using modern tools-the self-assembling blocks can be locally converted into ultra-thin lines, or high-density arrays of nano-dots.

"We realized that combining our self-assembling materials with nanofabricated guides gave us that elusive control. And, of course, these new geometries are achieved on an incredibly small scale, " said Yager.

"In essence, " said Stein, "we've created 'smart' templates for nanomaterial self-assembly. How far we can push the technique remains to be seen, but it opens some very promising pathways."

Gwen Wright, another CFN coauthor, added, "Many nano-fabrication labs should be able to do this tomorrow with their in-house tools-the trick was discovering it was even possible."

The scientists plan to increase the sophistication of the process, using more complex materials in order to move toward more device-like architectures.

"The ongoing and open collaboration within the CFN made this possible, " said Charles Black, director of the CFN. "We had experts in self-assembly, electron beam lithography, and even electron microscopy to characterize the materials, all under one roof, all pushing the limits of nanoscience."