Micrografie elettroniche a scansione di film di copolimero a blocchi assemblati su pattern chimici di grafene/germanio con curve di 90 gradi (lato sinistro) e con moltiplicazione della densità per un fattore 10 (lato destro). Le linee tratteggiate nere (a destra) indicano il periodo del pattern chimico grafene/germanio, in cui il periodo del copolimero a blocchi assemblato viene ridotto di un fattore 10 a causa della moltiplicazione della densità. Le barre della scala sono 200 nm. Credito:Università del Wisconsin-Madison
I produttori di chip per computer si sforzano continuamente di imballare più transistor in meno spazio, tuttavia, man mano che le dimensioni di quei transistor si avvicinano alla scala atomica, ci sono limiti fisici su quanto piccoli siano in grado di creare i modelli per i circuiti.
Ora, sfruttando un wafer di germanio rivestito con uno strato di grafene praticamente incontaminato, un foglio di carbonio disposto con uno spessore di un solo atomo, un team di ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison e dell'Università di Chicago ha ideato un più semplice, approccio di produzione riproducibile e meno costoso che utilizza l'autoassemblaggio diretto.
L'autoassemblaggio diretto è un'operazione su larga scala, tecnica di nano-patterning in grado di aumentare la densità dei pattern circuitali ed eludere alcune limitazioni dei processi litografici convenzionali per la stampa di circuiti su wafer di semiconduttori come il silicio.
L'ingegnere elettrico Zhenqiang "Jack" Ma e l'ingegnere dei materiali Michael Arnold di UW–Madison, ingegnere chimico Paul Nealey dell'Università di Chicago, e i loro studenti hanno pubblicato i dettagli dell'anticipo nell'edizione del 16 agosto della rivista Rapporti scientifici .
Il loro lavoro potrebbe significare un aumento della funzionalità per l'elettronica dei semiconduttori e della capacità di archiviazione dei dati.
Per ottenere le dimensioni incredibilmente ridotte richieste per i circuiti della futura elettronica dei semiconduttori, i produttori stanno sviluppando l'autoassemblaggio diretto, che consente la fabbricazione di intricati, modelli polimerici perfettamente ordinati per i circuiti.
Per l'autoassemblaggio diretto, i ricercatori utilizzano tecniche chimiche convenzionali per definire un pre-modello. Quando catene di molecole note come copolimeri a blocchi si autoassemblano sul pre-modello, seguono il modello per formare caratteristiche ben ordinate.
Il nuovo metodo dei ricercatori è molto più veloce, e riduce il numero di passaggi del processo a soli due:litografia e incisione al plasma.
Schemi chimici costituiti da strisce alternate di grafene e germanio (lato sinistro) vengono utilizzati per dirigere l'autoassemblaggio dei copolimeri a blocchi in modelli ben ordinati (lato destro). Le immagini in alto sono schemi e le immagini in basso sono micrografie elettroniche a scansione. Le barre della scala sono 200 nm. Credito:Università del Wisconsin-Madison
Nella prima dimostrazione della loro tecnica, i ricercatori hanno utilizzato la litografia a fascio di elettroni e una tecnica di incisione al plasma delicata per modellare strisce di grafene dello spessore di un atomo su un wafer di germanio. Quindi hanno rivestito il wafer con un copolimero a blocchi comune chiamato polistirene-blocco-poli (metilmetacrilato).
Quando riscaldato, il copolimero a blocchi si è autoassemblato completamente in soli 10 minuti, rispetto ai 30 minuti con schemi chimici convenzionali, e con meno difetti. I ricercatori attribuiscono questo rapido assemblaggio al liscio, rigido, superfici cristalline di germanio e grafene.
Il loro nuovo metodo sfrutta un fenomeno chiamato moltiplicazione della densità. I ricercatori hanno utilizzato la litografia a fascio di elettroni per creare prima un modello principale più grande con modelli sparsi che guidano l'orientamento dei loro copolimeri a blocchi.
Quando hanno diretto il copolimero a blocchi per l'autoassemblaggio, lo ha fatto in un modo che ha migliorato la risoluzione del modello originale, in questo caso, di un fattore 10. Il miglior miglioramento precedente mediante moltiplicazione della densità era un fattore quattro.
Mentre il motivo a strisce era una semplice dimostrazione della loro tecnica, i ricercatori hanno anche dimostrato che funziona con modelli architettonicamente più complessi o irregolari, compresi quelli con curve improvvise di 90 gradi.
"Questi modelli offrono un'interessante alternativa ai tradizionali modelli chimici composti da stuoie e spazzole polimeriche, in quanto forniscono una cinetica di montaggio più rapida e ampliano la finestra di lavorazione, offrendo anche un inerte, meccanicamente e chimicamente robuste, e modello uniforme con interfacce materiali ben definite e nitide, "dice Neale.
La tecnica consente loro di combinare l'uniformità e la lavorazione più semplice dei tradizionali metodi litografici "top-down" con i vantaggi dell'assemblaggio "bottom-up" e una maggiore moltiplicazione di densità, e offre un percorso promettente per la produzione su larga scala a costi notevolmente ridotti.
"L'utilizzo di questo modello di grafene dello spessore di un atomo non è mai stato fatto prima. È un nuovo modello per guidare l'autoassemblaggio dei polimeri, " dice Ma. "Questo è compatibile con la produzione di massa. Abbiamo aperto le porte a funzionalità ancora più piccole".
