I ricercatori hanno sviluppato un modo per alternare "blocchi" di due tipi di polimero con lunghezze precise. Questi "copolimeri multiblocco" formano spontaneamente strutture cilindriche e stratificate (a sinistra), che potrebbero essere utilizzate per il nanopatterning, un modo per fabbricare componenti microscopici. I ricercatori hanno anche dimostrato una struttura a "doppio giroide" (a destra), che potrebbe essere utilizzata per modelli di nanopatterning più complicati. Credito:Università della Pennsylvania
I componenti microscopici che compongono i chip dei computer devono essere realizzati su scale sbalorditive. Con miliardi di transistor in un unico processore, ciascuno composto da più materiali accuratamente disposti secondo schemi sottili come un filamento di DNA, i loro strumenti di produzione devono anche operare a livello molecolare.
In genere, questi strumenti implicano l'uso di stencil per modellare o rimuovere in modo selettivo i materiali con alta fedeltà, strato dopo strato, per formare dispositivi elettronici su scala nanometrica. Ma poiché i chip devono adattarsi a un numero sempre maggiore di componenti per stare al passo con le crescenti richieste di calcolo del mondo digitale, anche questi stencil di nanopatterning devono diventare più piccoli e più precisi.
Ora, un team di Penn Engineers ha dimostrato come una nuova classe di polimeri potrebbe fare proprio questo. In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato come i copolimeri "multiblocco" possono produrre modelli eccezionalmente ordinati in film sottili, ottenendo spaziature inferiori a tre nanometri.
Il team, guidato da Karen Winey, professoressa Harold Pender nei dipartimenti di scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria chimica e biomolecolare, e Jinseok Park, una studentessa laureata nel suo laboratorio, hanno pubblicato questi risultati sulla rivista ACS Central Science . Hanno collaborato con Anne Staiger e il professor Stefan Mecking dell'Università di Costanza, in Germania.
Gli stampini utilizzati nella fabbricazione dei chip hanno modelli su scala nanometrica che possono essere prodotti con una varietà di metodi. Ad esempio, linee sottili e piccoli punti possono essere prodotti con una tecnica nota come Direct Self Assembly (DSA), in cui la chimica del polimero è progettata in modo tale da produrre automaticamente la geometria desiderata.
Gli attuali metodi DSA utilizzano copolimeri "diblock", chiamati per avere due lunghi blocchi di polimeri diversi uniti da un capo all'altro, che quindi si assemblano per produrre i modelli necessari.
La struttura a doppio giroide non è ancora utilizzata nel nanopatterning, ma potrebbe consentire progetti più complessi. Credito:Università della Pennsylvania
"Quando la fotolitografia non poteva essere più piccola, la DSA con copolimeri diblock è diventata importante", afferma Winey. "Ma ottenere le linee o i punti necessari per il nanopatterning richiede che entrambi i blocchi abbiano lunghezze specifiche, ed è comunque qualcosa che è difficile da controllare con precisione."
Senza il corretto rapporto tra le lunghezze, i blocchi in un copolimero diblock formano linee o punti con una certa variabilità nelle loro dimensioni, diminuendo la loro utilità come stampini.
Insieme, i ricercatori di Penn e Costanza hanno escogitato un modo per controllare con maggiore precisione questo rapporto. Invece di incollare due grandi blocchi di polimeri diversi un'estremità all'altra, usano una tecnica nota come "polimerizzazione a crescita graduale" per alternare perfettamente due blocchi più piccoli.
"Rispetto ai diblock", afferma Winey, "questi copolimeri multiblocco offrono una gamma più ampia di sostanze chimiche e un maggiore controllo molecolare. Questo perché ogni blocco A e ogni blocco B hanno esattamente la stessa lunghezza, il che produrrà una maggiore uniformità nel modello. "
Una differenza fondamentale che questa uniformità può apportare è la capacità del polimero di assemblarsi più facilmente in una "struttura a doppio giroide co-continua" all'interno di una pellicola sottile. Questa disposizione è particolarmente utile per controllare le proprietà di trasporto, poiché separa le regioni polari e non polari dei polimeri.
"Il dominio a carica continua può promuovere la conduttività di specie cariche o polari, come l'acqua o gli ioni, e il dominio non polare continuo fornisce resistenza meccanica", afferma Winey.
I ricercatori stanno ora studiando come convertire al meglio queste strutture a film sottile in stencil funzionali di nanopatterning, oltre a sviluppare una libreria di diverse sostanze chimiche di copolimeri multiblocco che possono formare strutture a doppio giroide. + Esplora ulteriormente
