il fisico di Brookhaven Aaron Stein, autore principale dello studio, si trova nella camera bianca del Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Brookhaven National Laboratory. Stein e i suoi coautori hanno utilizzato lo scrittore di litografia a fascio di elettroni in background per incidere modelli che guidano l'autoassemblaggio dei copolimeri a blocchi in modi controllabili con precisione. Credito:Brookhaven National Laboratory
Per continuare ad avanzare, i dispositivi elettronici di nuova generazione devono sfruttare appieno la nanoscala, dove i materiali misurano solo miliardesimi di metro. Ma bilanciando la complessità, precisione, e la scalabilità della produzione su scale così straordinariamente piccole è inevitabilmente difficile. Fortunatamente, alcuni nanomateriali possono essere indotti a incastrarsi nelle formazioni desiderate, un processo chiamato autoassemblaggio.
Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno appena sviluppato un modo per dirigere l'autoassemblaggio di più modelli molecolari all'interno di un singolo materiale, produrre nuove architetture su nanoscala. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
"Questo è un significativo salto concettuale nell'autoassemblaggio, ", ha detto il fisico del Brookhaven Lab Aaron Stein, autore principale dello studio. "Nel passato, eravamo limitati a un unico modello emergente, ma questa tecnica rompe quella barriera con relativa facilità. Ciò è significativo per la ricerca di base, di certo, ma potrebbe anche cambiare il modo in cui progettiamo e produciamo l'elettronica".
Microchip, Per esempio, utilizzare modelli meticolosamente modellati per produrre le strutture su scala nanometrica che elaborano e memorizzano le informazioni. Attraverso l'autoassemblaggio, però, queste strutture possono formarsi spontaneamente senza quell'esaustivo schema preliminare. E adesso, l'autoassemblaggio può generare più modelli distinti, aumentando notevolmente la complessità delle nanostrutture che possono essere formate in un unico passaggio.
"Questa tecnica si adatta abbastanza facilmente ai flussi di lavoro di fabbricazione di microchip esistenti, ", ha affermato il coautore dello studio Kevin Yager, anche un fisico di Brookhaven. "È emozionante fare una scoperta fondamentale che un giorno potrebbe trovare la sua strada nei nostri computer".
Il lavoro sperimentale è stato condotto interamente presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, avvalendosi di competenze e strumentazioni interne.
La litografia a fascio di elettroni viene utilizzata per regolare la spaziatura e lo spessore dei modelli di linea incisi su un modello (strato inferiore). Questi modelli guidano un copolimero a blocchi autoassemblante (strato superiore) per formare localmente diversi tipi di modelli, a seconda del modello sottostante. Così, un singolo materiale può essere persuaso a formare nanopattern distinti, ad esempio, linee o punti nelle immediate vicinanze. Questi materiali a configurazione mista potrebbero portare a nuove applicazioni nella microelettronica. Credito:Brookhaven National Laboratory
Preparare la complessità organizzata
La collaborazione ha utilizzato copolimeri a blocchi, catene di due molecole distinte collegate tra loro, a causa della loro capacità intrinseca di autoassemblarsi.
"Per quanto potente sia l'autoassemblaggio, sospettavamo che guidare il processo lo avrebbe migliorato per creare un autoassemblaggio veramente "reattivo", " ha detto il coautore dello studio Greg Doerk di Brookhaven. "Ecco esattamente dove l'abbiamo spinto".
Per guidare l'autoassemblaggio, gli scienziati creano modelli di substrato precisi ma semplici. Usando un metodo chiamato litografia a fascio di elettroni, la specialità di Stein, incidono modelli migliaia di volte più sottili di un capello umano sulla superficie del modello. Quindi aggiungono una soluzione contenente una serie di copolimeri a blocchi sul modello, ruotare il substrato per creare un rivestimento sottile, e "cuocere" il tutto in un forno per dare un calcio alle molecole in formazione. L'energia termica guida l'interazione tra i copolimeri a blocchi e il modello, impostando la configurazione finale, in questo caso, linee parallele o punti in una griglia.
"Nell'autoassemblaggio convenzionale, le nanostrutture finali seguono le linee guida del template, ma sono di un unico tipo di modello, " disse Stein. "Ma tutto è cambiato".
I ricercatori del Brookhaven National Laboratory Center for Functional Nanomaterials, Gwen Wright e Aaron Stein, lavorano allo scrittore di litografia a fascio di elettroni nella camera bianca CFN. Credito:Brookhaven National Laboratory
Linee e punti, vivendo insieme
La collaborazione aveva precedentemente scoperto che la miscelazione di diversi copolimeri a blocchi consentiva molteplici, nanostrutture coesistenti lineari e puntiformi per formare.
"Avevamo scoperto un fenomeno emozionante, ma non poteva selezionare quale morfologia sarebbe venuta fuori, " Ha detto Yager. Ma poi il team ha scoperto che la modifica del substrato ha cambiato le strutture emerse. Semplicemente regolando la spaziatura e lo spessore dei modelli di linea litografica - facili da fabbricare utilizzando strumenti moderni - i blocchi autoassemblanti possono essere convertiti localmente in ultra -linee sottili, o array ad alta densità di nano-punti.
"Ci siamo resi conto che la combinazione dei nostri materiali autoassemblanti con guide nanofabbricate ci dava quel controllo sfuggente. E, Certo, queste nuove geometrie sono realizzate su scala incredibilmente piccola, " disse Yager.
"In sostanza, " ha detto Stein, "abbiamo creato modelli "intelligenti" per l'autoassemblaggio dei nanomateriali. Resta da vedere fino a che punto possiamo spingere la tecnica, but it opens some very promising pathways."
Gwen Wright, another CFN coauthor, aggiunto, "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."
