Naukowcy zademonstrowali nową technikę samodzielnego składania urządzeń elektronicznych. Prace weryfikacyjne posłużyły do stworzenia diod i tranzystorów, co toruje drogę do samodzielnego montażu bardziej złożonych urządzeń elektronicznych bez polegania na istniejących technikach produkcji chipów komputerowych.
„Istniejące techniki produkcji chipów obejmują wiele etapów i opierają się na niezwykle złożonych technologiach, przez co proces ten jest kosztowny i czasochłonny” – mówi Martin Thuo, autor korespondent artykułu na temat tej pracy oraz profesor nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej. „Nasze podejście do samoorganizacji jest znacznie szybsze i tańsze. Pokazaliśmy również, że możemy wykorzystać ten proces do dostrojenia pasma wzbronionego dla materiałów półprzewodnikowych i sprawienia, aby materiały reagowały na światło, co oznacza, że tę technikę można wykorzystać do tworzenia optoelektroniki urządzenia.
„Co więcej, obecne techniki produkcyjne charakteryzują się niską wydajnością, co oznacza, że wytwarzają stosunkowo dużą liczbę wadliwych chipów, których nie można użyć. Nasze podejście zakłada wysoką wydajność, co oznacza, że uzyskujesz bardziej spójną produkcję macierzy i mniej odpadów”.
Thuo nazywa tę nową technikę samoorganizacji ukierunkowaną reakcją metal-ligand (D-Met). Oto jak to działa.
Zaczynasz od cząstek ciekłego metalu. Do weryfikacji koncepcji naukowcy wykorzystali metal Fielda, który jest stopem indu, bizmutu i cyny. Cząsteczki ciekłego metalu umieszczane są obok formy, którą można wykonać w dowolnym rozmiarze i wzorze. Następnie na ciekły metal wylewa się roztwór. Roztwór zawiera cząsteczki zwane ligandami, które składają się z węgla i tlenu. Ligandy te zbierają jony z powierzchni ciekłego metalu i utrzymują je w określonym wzorze geometrycznym. Roztwór przepływa przez cząstki ciekłego metalu i jest wciągany do formy.
Gdy roztwór wpływa do formy, ligandy zawierające jony zaczynają łączyć się w bardziej złożone, trójwymiarowe struktury. W międzyczasie ciekła część roztworu zaczyna parować, co służy upakowaniu złożonych struktur coraz bliżej siebie, tworząc układ.
„Bez pleśni struktury te mogą tworzyć nieco chaotyczne wzory” – mówi Thuo. „Ale ponieważ rozwiązanie jest ograniczone przez formę, struktury tworzą przewidywalne, symetryczne układy”.
Gdy konstrukcja osiągnie pożądany rozmiar, forma jest usuwana, a układ jest podgrzewany. Ciepło to rozbija ligandy, uwalniając atomy węgla i tlenu. Jony metali oddziałują z tlenem, tworząc półprzewodnikowe tlenki metali, podczas gdy atomy węgla tworzą arkusze grafenu. Składniki te łączą się w dobrze uporządkowaną strukturę składającą się z cząsteczek półprzewodnikowego tlenku metalu owiniętych arkuszami grafenu. Naukowcy wykorzystali tę technikę do stworzenia tranzystorów i diod w skali nano i mikro.
„Arkusze grafenu można wykorzystać do dostrojenia pasma wzbronionego półprzewodników, dzięki czemu półprzewodnik będzie mniej lub bardziej responsywny, w zależności od jakości grafenu” – mówi Julia Chang, pierwsza autorka artykułu i badaczka ze stopniem doktora w NC State.
Ponadto, ponieważ badacze wykorzystali bizmut w pracach weryfikacyjnych, byli w stanie stworzyć struktury reagujące na światło. Umożliwia to badaczom manipulowanie właściwościami półprzewodników za pomocą światła.
„Charakter techniki D-Met oznacza, że można wytwarzać te materiały na dużą skalę – ogranicza Cię jedynie rozmiar używanej formy” – mówi Thuo. „Można także kontrolować struktury półprzewodnikowe, manipulując rodzajem cieczy użytej w roztworze, wymiarami formy i szybkością parowania roztworu.
„Krótko mówiąc, pokazaliśmy, że potrafimy samodzielnie składać wysoce ustrukturyzowane, wysoce przestrajalne materiały elektroniczne do wykorzystania w funkcjonalnych urządzeniach elektronicznych” – mówi Thuo. „W tej pracy zademonstrowano tworzenie tranzystorów i diod. Następnym krokiem jest wykorzystanie tej techniki do tworzenia bardziej złożonych urządzeń, takich jak trójwymiarowe chipy”.
Artykuł zatytułowany „Guided Ad infinitum Assembly of Mixed-Metal Oxide Arrays from Liquid Metal” został opublikowany w otwartym dostępie w czasopiśmie Materials Horizons. Pierwszą autorką artykułu jest Julia Chang, badaczka ze stopniem doktora w NC State. Współautorem artykułu jest Andrew Martin, pracownik naukowy ze stopniem doktora w NC State; Alana Pauls i dr Dhanush Jamadgni studenci stanu NC; oraz przez Chuanshen Du, Le Wei, Thomasa Warda i Meng Lu z Iowa State University.
Chang, Martin i Thuo ubiegają się o patent związany z badaniami D-Met. Chang, Ward i Du mają odrębny wniosek patentowy związany z badaniami D-Met.
Praca została wykonana przy wsparciu National Science Foundation Center for Complex Particle Systems w ramach grantu 2243104.