Durchbruch bei selbstorganisierender Elektronik: Forscher demonstrieren neuartige Gerätefertigung

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D-Met-gefertigte Muster produzieren Komponenten für potenzielle Verwendung in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). (Bild: Julia Chang)

Selbstorganisation statt komplexer Chipfertigung

Forscher haben eine neue Technik für selbstorganisierende elektronische Geräte demonstriert. Der Proof-of-Concept wurde genutzt, um Dioden und Transistoren zu erstellen und ebnet den Weg für selbstorganisierende komplexere elektronische Geräte, ohne auf bestehende Computerchip-Fertigungstechniken angewiesen zu sein.

„Bestehende Chipfertigungstechniken umfassen viele Schritte und beruhen auf extrem komplexen Technologien, was den Prozess kostspielig und zeitaufwändig macht“, sagte Martin Thuo, korrespondierender Autor der Arbeit und Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 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 das Bandlücken von Halbleitermaterialien abzustimmen und die Materialien lichtempfindlich zu machen – was bedeutet, dass diese Technik zur Erstellung optoelektronischer Geräte genutzt werden kann.

„Was mehr ist: Aktuelle Fertigungstechniken haben niedrige Ausbeuten, was bedeutet, dass sie eine relativ große Anzahl fehlerhafter Chips produzieren, die nicht verwendet werden können. Unser Ansatz hat hohe Ausbeute – was bedeutet, dass Sie eine konsistentere Produktion von Arrays und weniger Abfall erhalten.“

Die D-Met-Technik: Directed Metal-Ligand Reaction

Thuo nennt die neue selbstorganisierende Technik eine „directed metal-ligand“ (D-Met) Reaktion. Man beginnt mit flüssigen Metallpartikeln. Für ihren Proof-of-Concept nutzten die Forscher Fields-Metall, eine Legierung aus Indium, Bismut und Zinn. Die flüssigen Metallpartikel werden neben eine Form gelegt, die beliebig groß oder gemustert sein kann. Eine Lösung wird dann auf das flüssige Metall gegossen. Die Lösung enthält Moleküle, die Liganden genannt werden und aus Kohlenstoff und Sauerstoff bestehen. Diese Liganden extrahieren Ionen von der Oberfläche des flüssigen Metalls und halten diese Ionen in einem spezifischen geometrischen Muster. Die Lösung fließt über die flüssigen Metallpartikel und wird in die Form hineingezogen.

Während die Lösung in die Form fließt, beginnen die ionentragenden Liganden, sich zu komplexeren, dreidimensionalen Strukturen zusammenzusetzen. Gleichzeitig beginnt der flüssige Teil der Lösung zu verdunsten, was dazu dient, die komplexen Strukturen immer dichter in ein Array zu packen.

„Ohne die Form können diese Strukturen etwas chaotische Muster bilden“, sagte Thuo. „Aber weil die Lösung durch die Form begrenzt wird, bilden sich die Strukturen in vorhersehbaren, symmetrischen Arrays.“

Vom Array zum funktionsfähigen Bauelement

Sobald eine Struktur die gewünschte Größe erreicht hat, wird die Form entfernt und das Array erhitzt. Diese Hitze zerlegt die Liganden und setzt die Kohlenstoff- und Sauerstoffatome frei. Die Metallionen interagieren mit dem Sauerstoff und bilden Halbleiter-Metalloxide, während die Kohlenstoffatome Graphenschichten bilden. Diese Bestandteile setzen sich zu einer wohlgeordneten Struktur zusammen, bestehend aus Halbleiter-Metalloxid-Molekülen, die in Graphenschichten eingehüllt sind. Die Forscher nutzten diese Technik, um Transistoren und Dioden im Nano- und Mikromaßstab zu erstellen.

„Die Graphenschichten können genutzt werden, um die Bandlücke der Halbleiter abzustimmen, was den Halbleiter mehr oder weniger reaktiv macht, abhängig von der Qualität des Graphens“, sagte Julia Chang, Erstautorin der Arbeit und Postdoktorandin an der NC State. Zudem konnten die Forscher durch die Verwendung von Bismut im Proof-of-Concept Strukturen erstellen, die photoempfindlich sind. Dies ermöglicht es, die Eigenschaften der Halbleiter mittels Licht zu manipulieren.

„Die Natur der D-Met-Technik bedeutet, dass man diese Materialien im großen Maßstab herstellen kann – man ist nur durch die Größe der verwendeten Form begrenzt“, sagte Thuo. „Man kann auch die Halbleiterstrukturen durch Manipulation der Art der in der Lösung verwendeten Flüssigkeit, der Dimensionen der Form und der Verdunstungsrate der Lösung steuern.

„Kurz gesagt: Wir haben gezeigt, dass wir hochstrukturierte, hochgradig abstimmbare elektronische Materialien für den Einsatz in funktionsfähigen elektronischen Geräten selbstorganisieren können“, sagte Thuo. „Diese Arbeit demonstrierte die Erstellung von Transistoren und Dioden. Der nächste Schritt ist, diese Technik zu nutzen, um komplexere Geräte herzustellen, wie dreidimensionale Chips.“

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