Forskarna utvecklade ett sätt att växla mellan "block" av två typer av polymer med exakta längder. Dessa "multiblock-sampolymerer" bildar spontant skiktade och cylindriska strukturer (till vänster), som kan användas för nanomönster, ett sätt att tillverka mikroskopiska komponenter. Forskarna visade också en "dubbel gyroid" struktur (höger), som kan användas för mer komplicerade nanomönstermallar. Kredit:University of Pennsylvania
De mikroskopiska komponenterna som utgör datorchips måste tillverkas i svindlande skalor. Med miljarder transistorer i en enda processor, var och en gjord av flera material noggrant arrangerade i mönster så tunna som en DNA-sträng, måste deras tillverkningsverktyg också fungera på molekylär nivå.
Vanligtvis involverar dessa verktyg att använda stenciler för att selektivt mönstra eller ta bort material med hög kvalitet, lager efter lager, för att bilda elektroniska enheter i nanoskala. Men eftersom chips måste passa fler och fler komponenter för att hålla jämna steg med den digitala världens växande beräkningskrav, måste dessa nanomönsterschabloner också bli mindre och mer exakta.
Nu har ett team av Penn Engineers visat hur en ny klass av polymerer kunde göra just det. I en ny studie visade forskarna hur "multiblock"-sampolymerer kan producera exceptionellt ordnade mönster i tunna filmer och uppnå avstånd mindre än tre nanometer.
Teamet, ledd av Karen Winey, Harold Pender-professor vid institutionerna för materialvetenskap och teknik och kemi- och biomolekylär teknik, och Jinseok Park, en doktorand i hennes labb, publicerade dessa resultat i tidskriften ACS Central Science i> . De samarbetade med Anne Staiger och professor Stefan Mecking vid universitetet i Konstanz, Tyskland.
Schablonerna som används för att tillverka chips har mönster i nanoskala som kan produceras med en mängd olika metoder. Till exempel kan fina linjer och små prickar produceras med en teknik som kallas riktad självmontering (DSA), där polymerkemin är utformad så att den automatiskt producerar den önskade geometrin.
Nuvarande DSA-metoder använder "diblock"-sampolymerer, namngivna för att ha två långa block av olika polymerer bundna ände mot ände, som sedan sätts samman för att producera de nödvändiga mönstren.
Den dubbla gyroidstrukturen används ännu inte i nanomönster, men skulle kunna möjliggöra mer komplexa konstruktioner. Kredit:University of Pennsylvania
"När fotolitografi inte kunde bli mindre blev DSA med disegmentsampolymerer viktigt", säger Winey. "Men att få de linjer eller prickar du behöver för nanomönster kräver att båda blocken är specifika längder, och det är fortfarande något som är svårt att kontrollera exakt."
Utan det korrekta längdförhållandet bildar blocken i en disegmentsampolymer linjer eller prickar med viss variation i deras dimensioner, vilket minskar deras användbarhet som schabloner.
Tillsammans utarbetade forskarna från Penn och Konstanz ett sätt att mer exakt kontrollera detta förhållande. Istället för att fästa två stora block av olika polymerer ände mot ände, använder de en teknik som kallas "stegtillväxtpolymerisation" för att perfekt alternera mellan två mindre block.
"Jämfört med diblock," säger Winey, "dessa multiblocksampolymerer erbjuder ett bredare utbud av kemi och större molekylär kontroll. Det beror på att varje A-block och varje B-block har exakt samma längd, vilket kommer att ge större enhetlighet i mönstret. "
En avgörande skillnad som denna enhetlighet kan göra är förmågan för polymeren att lättare montera sig själv till en "samkontinuerlig dubbel-gyroidstruktur" i en tunn film. Detta arrangemang är särskilt användbart för att kontrollera transportegenskaper, eftersom det skiljer de polära och opolära områdena av polymererna.
"Den kontinuerligt laddade domänen kan främja ledningsförmågan hos laddade eller polära arter, som vatten eller joner, och den kontinuerliga opolära domänen ger mekanisk styrka", säger Winey.
Forskarna undersöker nu hur man bäst omvandlar dessa tunna filmstrukturer till funktionella nanomönsterschabloner, samt utvecklar ett bibliotek av olika multiblock-sampolymerkemi som kan bilda dubbla gyroideastrukturer. + Utforska vidare
