Forscher am MIT haben eine Technik entwickelt, um die Anordnung und Platzierung von Nanopartikeln auf einem Material, wie dem für Computerchips verwendeten Silizium, so präzise zu steuern, dass die Oberfläche des Materials nicht beschädigt oder kontaminiert wird.
Die Technik, die Chemie und gerichtete Montageprozesse mit herkömmlichen Fertigungstechniken kombiniert, ermöglicht die effiziente Bildung von hochauflösenden, nanoskaligen Merkmalen, die mit Nanopartikeln für Geräte wie Sensoren, Laser und LEDs integriert sind, die ihre Leistung steigern könnten.
Transistoren und andere nanoskalige Bauelemente werden typischerweise von oben nach unten hergestellt – Materialien werden weggeätzt, um die gewünschte Anordnung von Nanostrukturen zu erreichen. Aber die Herstellung der kleinsten Nanostrukturen, die die höchste Leistung und neue Funktionalitäten ermöglichen können, erfordert teure Ausrüstung und bleibt im Maßstab und mit der gewünschten Auflösung schwierig.
Ein präziserer Weg, nanoskalige Geräte zusammenzubauen, ist von unten nach oben. In einem Schema haben Ingenieure Chemie verwendet, um Nanopartikel in Lösung zu „züchten“, diese Lösung auf eine Schablone zu tropfen, die Nanopartikel anzuordnen und sie dann auf eine Oberfläche zu übertragen. Allerdings bringt diese Technik auch große Herausforderungen mit sich.
Zunächst müssen Tausende von Nanopartikeln effizient auf dem Templat angeordnet werden. Und ihre Übertragung auf eine Oberfläche erfordert typischerweise einen chemischen Klebstoff, großen Druck oder hohe Temperaturen, die die Oberflächen und das resultierende Gerät beschädigen könnten.
Die MIT-Forscher entwickelten einen neuen Ansatz, um diese Einschränkungen zu überwinden. Sie nutzten die starken Kräfte, die im Nanobereich vorhanden sind, um Partikel effizient in einem gewünschten Muster anzuordnen und sie dann ohne Chemikalien oder hohen Druck und bei niedrigeren Temperaturen auf eine Oberfläche zu übertragen. Da das Oberflächenmaterial makellos bleibt, können diese nanoskaligen Strukturen in Komponenten für elektronische und optische Geräte eingebaut werden, wo selbst winzige Unvollkommenheiten die Leistung beeinträchtigen können.
„Dieser Ansatz ermöglicht es Ihnen, durch Engineering von Kräften, die Nanopartikel trotz ihrer sehr geringen Größe in deterministischen Anordnungen mit Einzelpartikelauflösung und auf verschiedenen Oberflächen zu platzieren, um Bibliotheken von nanoskaligen Bausteinen zu erstellen, die sehr einzigartige Eigenschaften haben können, ob es sind ihre Licht-Materie-Wechselwirkungen, elektronischen Eigenschaften, mechanischen Leistung usw.“, sagt Farnaz Niroui, EE Landsman Career Development Assistant Professor of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) am MIT, Mitglied des MIT Research Laboratory of Electronics , und leitender Autor auf einem neuen Papier, das die Arbeit beschreibt.
„Durch die Integration dieser Bausteine mit anderen Nanostrukturen und Materialien können wir dann Geräte mit einzigartigen Funktionalitäten erreichen, die nicht ohne weiteres möglich wären, wenn wir die herkömmlichen Top-Down-Fertigungsstrategien allein anwenden würden.“
Die Forschung ist veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte. Die Co-Autoren von Niroui sind der Hauptautor Weikun „Spencer“ Zhu, ein Doktorand am Department of Chemical Engineering, sowie die EECS-Doktoranden Peter F. Satterthwaite, Patricia Jastrzebska-Perfect und Roberto Brenes.
Nutze die Kräfte
Zu Beginn ihres Herstellungsverfahrens, das als Nanopartikel-Kontaktdruck bekannt ist, verwenden die Forscher Chemie, um Nanopartikel mit einer definierten Größe und Form in einer Lösung zu erzeugen. Für das bloße Auge sieht dies aus wie ein Fläschchen mit farbiger Flüssigkeit, aber das Heranzoomen mit einem Elektronenmikroskop würde Millionen von Würfeln zeigen, von denen jeder nur 50 Nanometer groß ist. (Ein menschliches Haar ist etwa 80.000 Nanometer breit.)
Die Forscher stellen dann eine Schablone in Form einer flexiblen Oberfläche her, die mit Führungen oder Fallen in Nanopartikelgröße bedeckt ist, die in der gewünschten Form angeordnet sind, die die Nanopartikel annehmen sollen. Nachdem sie der Schablone einen Tropfen Nanopartikellösung hinzugefügt haben, verwenden sie zwei Kräfte im Nanobereich, um die Partikel in die richtige Position zu bringen. Die Nanopartikel werden dann auf beliebige Oberflächen übertragen.
Auf der Nanoskala werden andere Kräfte dominant (so wie die Schwerkraft auf der Makroskala eine dominierende Kraft ist). Kapillarkräfte sind dominant, wenn sich die Nanopartikel in Flüssigkeit befinden, und Van-der-Waals-Kräfte sind dominant an der Grenzfläche zwischen den Nanopartikeln und der festen Oberfläche, mit der sie in Kontakt sind. Wenn die Forscher einen Tropfen Flüssigkeit hinzufügen und über die Schablone ziehen, bewegen Kapillarkräfte die Nanopartikel in die gewünschte Falle und platzieren sie genau an der richtigen Stelle. Sobald die Flüssigkeit trocknet, halten Van-der-Waals-Kräfte diese Nanopartikel in Position.
„Diese Kräfte sind allgegenwärtig und können oft nachteilig sein, wenn es um die Herstellung von Objekten im Nanomaßstab geht, da sie den Zusammenbruch der Strukturen verursachen können Dinge werden im Nanomaßstab manipuliert“, sagt Zhu.
Sie entwerfen die Schablonenführungen in der richtigen Größe und Form und in der genau richtigen Anordnung, damit die Kräfte zusammenarbeiten, um die Partikel anzuordnen. Die Nanopartikel werden dann auf Oberflächen gedruckt, ohne dass Lösungsmittel, Oberflächenbehandlungen oder hohe Temperaturen erforderlich sind. Dadurch bleiben die Oberflächen makellos und die Eigenschaften intakt, während Ausbeuten von mehr als 95 Prozent möglich sind. Um diese Übertragung zu fördern, müssen die Oberflächenkräfte so konstruiert werden, dass die Van-der-Waals-Kräfte stark genug sind, um Partikel durchgängig dazu zu bringen, sich von der Schablone zu lösen und an der Empfängeroberfläche zu haften, wenn sie in Kontakt gebracht werden.
Einzigartige Formen, vielfältige Materialien, skalierbare Verarbeitung
Mit dieser Technik ordnete das Team Nanopartikel in willkürlichen Formen an, etwa Buchstaben des Alphabets, und übertrug sie dann mit sehr hoher Positionsgenauigkeit auf Silizium. Das Verfahren funktioniert auch mit Nanopartikeln, die andere Formen haben, wie zum Beispiel Kugeln, und mit diversen Materialtypen. Und es kann Nanopartikel effektiv auf verschiedene Oberflächen wie Gold oder sogar flexible Substrate für elektrische und optische Strukturen und Geräte der nächsten Generation übertragen.
Ihr Ansatz ist außerdem skalierbar, sodass er auf die Herstellung realer Geräte erweitert werden kann.
Niroui und ihre Kollegen arbeiten nun daran, diesen Ansatz zu nutzen, um noch komplexere Strukturen zu schaffen und ihn mit anderen Materialien im Nanomaßstab zu integrieren, um neue Arten von elektronischen und optischen Geräten zu entwickeln.
Weikun Zhu et al, Nanopartikel-Kontaktdruck mit Grenzflächentechnik zur deterministischen Integration in funktionale Strukturen, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq4869. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4869
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