Durchbruch in der selbstorganisierenden Elektronik:Forscher stellen neuartige Geräteherstellung vor

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Mit D-Met hergestellte Muster produzieren Komponenten für den potenziellen Einsatz in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). (Bild:Julia Chang)

Forscher haben eine neue Technik zur Selbstmontage elektronischer Geräte demonstriert. Die Proof-of-Concept-Arbeit wurde zur Entwicklung von Dioden und Transistoren genutzt und ebnet den Weg für die Selbstmontage komplexerer elektronischer Geräte, ohne auf bestehende Techniken zur Herstellung von Computerchips angewiesen zu sein.

„Bestehende Chip-Herstellungstechniken umfassen viele Schritte und basieren auf äußerst komplexen Technologien, was den Prozess kostspielig und zeitaufwändig macht“, sagte Martin Thuo, korrespondierender Autor einer Arbeit über die Arbeit und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der North Carolina State University. „Unser selbstorganisierender Ansatz ist deutlich schneller und kostengünstiger. Wir haben auch gezeigt, dass wir den Prozess nutzen können, um die Bandlücke für Halbleitermaterialien abzustimmen und die Materialien auf Licht reagieren zu lassen – was bedeutet, dass diese Technik zur Herstellung optoelektronischer Geräte verwendet werden kann.“

„Darüber hinaus weisen aktuelle Fertigungstechniken eine geringe Ausbeute auf, was bedeutet, dass sie relativ viele fehlerhafte Chips produzieren, die nicht verwendet werden können. Unser Ansatz ist eine hohe Ausbeute – das heißt, Sie erhalten eine gleichmäßigere Produktion von Arrays und weniger Abfall.“

Thuo nennt die neue, selbstorganisierende Technik eine gerichtete Metall-Ligand-Reaktion (D-Met). Sie beginnen mit flüssigen Metallpartikeln. Für ihre Proof-of-Concept-Arbeit verwendeten die Forscher Fields Metall, eine Legierung aus Indium, Wismut und Zinn. Die flüssigen Metallpartikel werden neben eine Form gelegt, die in jeder Größe und jedem beliebigen Muster hergestellt werden kann. Anschließend wird eine Lösung auf das flüssige Metall gegossen. Die Lösung enthält Moleküle, sogenannte Liganden, die aus Kohlenstoff und Sauerstoff bestehen. Diese Liganden sammeln Ionen von der Oberfläche des flüssigen Metalls und halten diese Ionen in einem bestimmten geometrischen Muster. Die Lösung fließt über die flüssigen Metallpartikel und wird in die Form gesaugt.

Während die Lösung in die Form fließt, beginnen die ionentragenden Liganden, sich zu komplexeren, dreidimensionalen Strukturen zusammenzusetzen. Währenddessen beginnt der flüssige Teil der Lösung zu verdampfen, was dazu dient, die komplexen Strukturen immer dichter zu einem Array zusammenzupacken.

„Ohne den Schimmel können diese Strukturen etwas chaotische Muster bilden“, sagte Thuo. „Aber da die Lösung durch die Form eingeschränkt wird, bilden sich die Strukturen in vorhersehbaren, symmetrischen Anordnungen.“

Sobald eine Struktur die gewünschte Größe erreicht hat, wird die Form entfernt und die Anordnung erhitzt. Diese Hitze bricht die Liganden auf und setzt die Kohlenstoff- und Sauerstoffatome frei. Die Metallionen interagieren mit dem Sauerstoff und bilden Halbleitermetalloxide, während die Kohlenstoffatome Graphenschichten bilden. Diese Bestandteile fügen sich zu einer wohlgeordneten Struktur zusammen, die aus in Graphenschichten eingewickelten Halbleitermetalloxidmolekülen besteht. Die Forscher nutzten diese Technik, um Transistoren und Dioden im Nano- und Mikromaßstab herzustellen.

„Die Graphenschichten können verwendet werden, um die Bandlücke der Halbleiter abzustimmen, wodurch der Halbleiter je nach Qualität des Graphens mehr oder weniger reaktionsfähig wird“, sagte Julia Chang, Erstautorin der Arbeit und Postdoktorandin am NC State. Da die Forscher bei der Machbarkeitsstudie außerdem Wismut verwendeten, konnten sie Strukturen herstellen, die auf Licht reagieren. Dadurch können die Forscher die Eigenschaften der Halbleiter mithilfe von Licht manipulieren.

„Die Natur der D-Met-Technik bedeutet, dass Sie diese Materialien in großem Maßstab herstellen können – Sie sind nur durch die Größe der verwendeten Form begrenzt“, sagte Thuo. „Sie können die Halbleiterstrukturen auch steuern, indem Sie die Art der in der Lösung verwendeten Flüssigkeit, die Abmessungen der Form und die Verdunstungsrate der Lösung manipulieren.

„Kurz gesagt, wir haben gezeigt, dass wir hochstrukturierte, hochgradig abstimmbare elektronische Materialien für den Einsatz in funktionalen elektronischen Geräten selbst zusammenbauen können“, sagte Thuo. „Diese Arbeit demonstrierte die Herstellung von Transistoren und Dioden. Der nächste Schritt besteht darin, diese Technik zur Herstellung komplexerer Geräte wie dreidimensionaler Chips zu verwenden.“

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