I ricercatori del MIT hanno scoperto un nuovo modo di realizzare complesse strutture tridimensionali utilizzando materiali polimerici autoassemblanti che formano minuscoli fili e giunzioni. Il lavoro ha il potenziale per inaugurare una nuova generazione di microchip e altri dispositivi costituiti da caratteristiche submicroscopiche.

Sebbene strutture autoassemblanti simili con fili molto sottili siano state prodotte in precedenza, questa è la prima volta che le strutture vengono estese in tre dimensioni con differenti, configurazioni indipendenti su diversi livelli, dicono i ricercatori. La ricerca è pubblicata questa settimana sulla rivista Scienza .

Carolina Rossi, il professore Toyota di scienza e ingegneria dei materiali al MIT, afferma che c'è stato "molto interesse" tra i ricercatori dei semiconduttori nel trovare modi per produrre caratteristiche dei chip che sono molto più strette della lunghezza d'onda della luce - e quindi più strette di quelle che possono essere ottenute utilizzando gli attuali sistemi di fabbricazione basati sulla luce. L'autoassemblaggio a base di polimeri è stata un'area attiva di ricerca, Ross dice, ma "ciò che abbiamo fatto in questo articolo è stato spingerlo nella terza dimensione".

Lei ei suoi colleghi hanno iniziato creando una serie di minuscoli perni su un substrato di silicio; hanno poi rivestito la superficie con materiali chiamati copolimeri a blocchi, che hanno una naturale tendenza ad assemblarsi in lunghe strutture cilindriche. Controllando attentamente la spaziatura iniziale dei montanti, Ross spiega, i ricercatori sono stati in grado di impostare la spaziatura, angoli, curve e giunzioni dei cilindri che si formano sulla superficie. Cosa c'è di più, lei dice, “Ciascuno dei due strati di cilindri può essere controllato indipendentemente utilizzando questi pali, ” che consente di creare complesse configurazioni 3D.

Amir Tavakkoli, uno studente laureato in visita presso l'Università Nazionale di Singapore e autore principale di Scienza carta, afferma che molti ricercatori hanno cercato di produrre disposizioni complesse di cavi su scala nanometrica attraverso l'autoassemblaggio. Ma i tentativi precedenti utilizzavano processi complessi con molti passaggi, e non era riuscito a controllare bene le configurazioni risultanti. Il nuovo sistema è più semplice, Tavakkoli dice, e “non solo controllava l'allineamento dei fili, ma ha mostrato che possiamo anche avere curve e incroci "vivi" in punti precisamente determinati.

“Non era previsto che fosse possibile, ” dice lo studente laureato del MIT Kevin Gotrik. “È stato un risultato sorprendente. Ci siamo imbattuti in esso, e poi ho dovuto capire come funziona.”

C'erano una serie di ostacoli da superare per rendere pratico il sistema, dice Gotrik. Per esempio, i pali fabbricati sulla superficie sono la chiave per controllare l'intero processo di autoassemblaggio, ma devono essere un po' più alti che larghi, che potrebbe portare alcuni a ribaltarsi; il team del MIT alla fine ha trovato materiali e forme che sarebbero stati stabili. “Abbiamo esplorato una vasta gamma di condizioni, dice Gotrik.

Il dottorando Adam Hannon afferma che il team ha utilizzato simulazioni al computer delle strutture per esplorare gli effetti di diverse configurazioni di post sulla struttura 3-D a doppio strato. Queste simulazioni sono state confrontate con le strutture più promettenti osservate in laboratorio per ottenere maggiori informazioni su come controllare le strutture risultanti che si sono formate.

Finora, il team del MIT ha prodotto solo configurazioni a due strati, ma Alfredo Alexander-Katz, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, dice, "Penso che sarebbe fattibile passare a tre strati" pur mantenendo il pieno controllo sulla disposizione delle strutture su ogni strato.

Una tecnologia abilitante chiave è stata la capacità del laboratorio del MIT, utilizzando la litografia a fascio di elettroni, per realizzare perni cilindrici di larghezza 10 nanometri con posizionamento controllato con precisione. Questi post, a sua volta, guidare il posizionamento dei cilindri automontanti. Karl Berggren, professore associato di ingegneria elettrica, dice che è come se la litografia mettesse giù una serie di pilastri, e questi pilastri poi controllano il complesso, percorso multilivello di autostrade che si incrociano.

In lavori precedenti, i ricercatori del MIT avevano dimostrato che questo metodo di autoassemblaggio potrebbe essere utilizzato per creare fili molto più sottili di quelli che possono essere realizzati con le tecniche di fotolitografia esistenti per la produzione di microchip, e quindi aiutare ad aprire la strada a dispositivi di prossima generazione che impacchettano ancora di più fili e transistor in una determinata area di materiale del chip di silicio. “In linea di principio, questo è scalabile a dimensioni piuttosto piccole, "Ross dice, molto più piccolo della larghezza di 15 nanometri dei cilindri prodotti finora, che è già meno della metà della larghezza dei fili più sottili dei microchip esistenti.

Le tecnologie di base coinvolte sono compatibili con le apparecchiature di produzione esistenti nell'industria dei semiconduttori, dicono i ricercatori. Ma questa è una ricerca di base che probabilmente è ancora lontana dall'effettiva produzione di chip, mettono in guardia. Entro il prossimo anno il team spera di utilizzare questa metodologia per produrre un semplice dispositivo elettronico.

La tecnica non si limita alla produzione di fili su un chip di silicio, Ross e i suoi colleghi dicono. Lo stesso metodo potrebbe essere utilizzato per creare array 3D di altri tipi di materiali, come proteine ​​o molecole di DNA, ad esempio, per creare rilevatori biologici o sistemi di somministrazione di farmaci.

Craig Hawker, professore di chimica e biochimica all'Università della California a Santa Barbara, dice che questa è una "scoperta di vasta portata, ” che “fa molto per soddisfare le richieste della International Technology Roadmap for Semiconductors, che richiede un robusto, tecnica di nanopatterning commercialmente valida”.

Hawker aggiunge, “La robustezza e la potenza di questo approccio possono anche portare ad applicazioni al di fuori della litografia e della microelettronica, con impatto nella depurazione dell'acqua, membrane e fotovoltaico organico." Dice che questo lavoro è "un esempio spettacolare di lavoro multidisciplinare, con i progressi della chimica, fisica e nanotecnologia perfettamente combinate per affrontare un problema tecnologico critico e importante per la società”.

Il lavoro è stato sostenuto dalla Semiconductor Research Corporation, il Centro FENA, l'iniziativa di ricerca sulla nanoelettronica, l'alleanza Singapore-MIT, la Fondazione Nazionale della Scienza, Società di produzione di semiconduttori di Tokyo Electron e Taiwan.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.