Des chercheurs du MIT ont développé une technique pour contrôler avec précision l’arrangement et le placement des nanoparticules sur un matériau, comme le silicium utilisé pour les puces informatiques, d’une manière qui n’endommage pas ou ne contamine pas la surface du matériau.
La technique, qui combine des processus de chimie et d’assemblage dirigé avec des techniques de fabrication conventionnelles, permet la formation efficace de caractéristiques nanométriques à haute résolution intégrées à des nanoparticules pour des dispositifs tels que des capteurs, des lasers et des LED, ce qui pourrait améliorer leurs performances.
Les transistors et autres dispositifs à l’échelle nanométrique sont généralement fabriqués de haut en bas – les matériaux sont gravés pour atteindre l’arrangement souhaité des nanostructures. Mais créer les plus petites nanostructures, qui peuvent permettre les meilleures performances et de nouvelles fonctionnalités, nécessite des équipements coûteux et reste difficile à réaliser à grande échelle et avec la résolution souhaitée.
Une manière plus précise d’assembler des dispositifs à l’échelle nanométrique consiste à procéder de bas en haut. Dans un schéma, les ingénieurs ont utilisé la chimie pour « faire croître » des nanoparticules en solution, déposer cette solution sur un gabarit, disposer les nanoparticules, puis les transférer sur une surface. Cependant, cette technique implique également des défis de taille.
Tout d’abord, des milliers de nanoparticules doivent être disposées efficacement sur le gabarit. Et les transférer sur une surface nécessite généralement une colle chimique, une pression élevée ou des températures élevées, ce qui pourrait endommager les surfaces et le dispositif résultant.
Les chercheurs du MIT ont développé une nouvelle approche pour surmonter ces limitations. Ils ont utilisé les forces puissantes qui existent à l’échelle nanométrique pour organiser efficacement les particules selon un motif souhaité, puis les transférer sur une surface sans aucun produit chimique ni haute pression, et à des températures plus basses. Parce que le matériau de surface reste vierge, ces structures à l’échelle nanométrique peuvent être incorporées dans des composants pour appareils électroniques et optiques, où même de minuscules imperfections peuvent entraver les performances.
« Cette approche vous permet, grâce à l’ingénierie des forces, de placer les nanoparticules, malgré leur très petite taille, dans des arrangements déterministes avec une résolution de particule unique et sur diverses surfaces, pour créer des bibliothèques de blocs de construction à l’échelle nanométrique qui peuvent avoir des propriétés très uniques, que ce soit ce sont leurs interactions lumière-matière, leurs propriétés électroniques, leurs performances mécaniques, etc. », explique Farnaz Niroui, professeur adjoint de développement de carrière EE Landsman en génie électrique et informatique (EECS) au MIT, membre du laboratoire de recherche en électronique du MIT. , et auteur principal d’un nouvel article décrivant le travail.
« En intégrant ces blocs de construction avec d’autres nanostructures et matériaux, nous pouvons alors réaliser des dispositifs avec des fonctionnalités uniques qui ne seraient pas facilement réalisables si nous devions utiliser uniquement les stratégies de fabrication descendantes conventionnelles. »
La recherche est publiée dans Avancées scientifiques. Les co-auteurs de Niroui sont l’auteur principal Weikun « Spencer » Zhu, un étudiant diplômé du Département de génie chimique, ainsi que les étudiants diplômés de l’EECS Peter F. Satterthwaite, Patricia Jastrzebska-Perfect et Roberto Brenes.
Utiliser les forces
Pour commencer leur méthode de fabrication, connue sous le nom d’impression par contact de nanoparticules, les chercheurs utilisent la chimie pour créer des nanoparticules de taille et de forme définies dans une solution. À l’œil nu, cela ressemble à un flacon de liquide coloré, mais un zoom avant avec un microscope électronique révélerait des millions de cubes, chacun d’une taille de seulement 50 nanomètres. (Un cheveu humain mesure environ 80 000 nanomètres de large.)
Les chercheurs fabriquent ensuite un gabarit sous la forme d’une surface flexible recouverte de guides, ou pièges, de la taille de nanoparticules, disposés selon la forme qu’ils souhaitent que les nanoparticules prennent. Après avoir ajouté une goutte de solution de nanoparticules au modèle, ils utilisent deux forces à l’échelle nanométrique pour déplacer les particules dans la bonne position. Les nanoparticules sont ensuite transférées sur des surfaces arbitraires.
À l’échelle nanométrique, différentes forces deviennent dominantes (tout comme la gravité est une force dominante à l’échelle macro). Les forces capillaires sont dominantes lorsque les nanoparticules sont dans un liquide et les forces de van der Waals sont dominantes à l’interface entre les nanoparticules et la surface solide avec laquelle elles sont en contact. Lorsque les chercheurs ajoutent une goutte de liquide et la font glisser sur le gabarit, les forces capillaires déplacent les nanoparticules dans le piège souhaité, les plaçant précisément au bon endroit. Une fois que le liquide sèche, les forces de van der Waals maintiennent ces nanoparticules en position.
« Ces forces sont omniprésentes et peuvent souvent être préjudiciables à la fabrication d’objets à l’échelle nanométrique car elles peuvent provoquer l’effondrement des structures. Mais nous sommes en mesure de trouver des moyens de contrôler ces forces très précisément pour les utiliser pour contrôler la façon dont les choses sont manipulées à l’échelle nanométrique », explique Zhu.
Ils conçoivent les guides de modèle pour qu’ils aient la bonne taille et la bonne forme, et dans l’arrangement précisément approprié afin que les forces travaillent ensemble pour organiser les particules. Les nanoparticules sont ensuite imprimées sur des surfaces sans avoir besoin de solvants, de traitements de surface ou de températures élevées. Cela permet de garder les surfaces vierges et les propriétés intactes tout en permettant des rendements de plus de 95 %. Pour favoriser ce transfert, les forces de surface doivent être conçues de manière à ce que les forces de van der Waals soient suffisamment fortes pour favoriser de manière constante la libération des particules du gabarit et leur fixation à la surface réceptrice lorsqu’elles sont mises en contact.
Formes uniques, matériaux divers, traitement évolutif
L’équipe a utilisé cette technique pour disposer des nanoparticules dans des formes arbitraires, telles que des lettres de l’alphabet, puis les a transférées sur du silicium avec une précision de position très élevée. La méthode fonctionne également avec des nanoparticules qui ont d’autres formes, telles que des sphères, et avec divers types de matériaux. Et il peut transférer efficacement des nanoparticules sur différentes surfaces, comme l’or ou même des substrats flexibles pour les structures et dispositifs électriques et optiques de nouvelle génération.
Leur approche est également évolutive, de sorte qu’elle peut être étendue pour être utilisée dans la fabrication de dispositifs du monde réel.
Niroui et ses collègues travaillent maintenant à tirer parti de cette approche pour créer des structures encore plus complexes et l’intégrer à d’autres matériaux à l’échelle nanométrique pour développer de nouveaux types de dispositifs électroniques et optiques.
Weikun Zhu et al, Impression par contact de nanoparticules avec ingénierie interfaciale pour l’intégration déterministe dans des structures fonctionnelles, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abq4869. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4869
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.