Een voorbeeld dat met het D-Met-procédé is gemaakt (afb: Julia Chang)
Zelfassemblage noemen de persvoorlichter de truc die onderzoekers rond Martin Thuo van de universiteit van Noord-Carolina hebben bedacht om met behulp van een scheikundige truc vrij ingewikkelde elektronische met bijvoorbeeld diodes en transistoren te fabriceren. De onderzoekers willen daarmee ook driedimensionale chips maken.
Het was een bewijs dat het mogelijk was om met zelfassemblage (ook wel zelforganisatie genoemd) elektronische componenten te maken. De methode zou bestaande technieken om elektronische componenten te produceren zoals ASML die maakt, waarbij in feite met licht wordt ‘geschreven, daarvoor niet meer nodig hebben. Thuo: “Bestaande productietechnieken bestaan uit vele stappen en berusten op uiterst ingewikkelde technologie, waardoor die processen duur en tijdrovend zijn. Onze zelfassemblage-aanpak is aanzienlijk sneller en minder duur. We hebben laten zien dat is te sturen op de bandkloof van de halfgeleiders en om de materialen lichtgevoelig te maken. Dat betekent dat deze techniek is te gebruiken voor opto-elektronische componenten.”
“Bovendien is de opbrengst van de huidige techniek laag. Een relatief groot deel van de chips bevat fouten waardoor die niet gebruikt kunnen worden. Bij onze aanpak is de opbrengst hoog, waardoor er ook minder afval wordt geproduceerd.”
Het gaat om wat de onderzoekers een gerichte metaal/ligandreactie noemen. Je smelt een metaalmengsel (Thuo c.s. gebruikten een mengsel van indium, bismuth en tin). Daarnaast heb je een mal nodig in een toepasselijke vorm waar je het mengsel in giet. Vervolgens wordt op dat gesmolten mengsel een oplossing met verbindingen gegoten die uit koolstof en zuurstofatomen bestaat. Deze liganden (verbindingen met een vrij elektronenpaar) ‘verzamelen’ ionen uit het metaalmengsel in bepaalde patronen. De oplossing wordt als het ware geabsorbeerd door het gesmolten metaalmengsel, stelt het persbericht (ik=as zou denken dat het oplosmiddel onmiddellijk verdampt als dat in aanraking komt met het gesmolten mengsel, maar dat is kennelijk niet het geval).
Voorspelbare patronen
Als dat laatste gebeurt organiseren die liganden met dat vrije elektronenpaar zichzelf in een ruimtelijke ordening, terwijl het oplosmiddel verdampt. Daardoor wordt die driedimensionale structuur compacter. Thuo: “Zonder de mal ontstaan er chaotische patronen, maar de oplossing wordt begrensd door de mal waardoor er voorspelbare symmetrische patronen ontstaan.”
Als die structuur eenmaal de gewenste grootte heeft wordt de mal verwijderd en wordt de structuur verhit. Daardoor ontleden de liganden (dat zijn ten slotte organische verbindingen), waarbij de zuurstofatomen met de metaalionen reageren en de koolstofatomen grafeen (een tweedimensionele vorm van koolstof) vormen.
Dat alles leidt, door zelforganisatie, tot een geordende structuur van halfgeleiders (metaaloxides) ‘verpakt’ in grafeenvelletjes. Op die manier maakten de onderzoekers transistoren en diodes op mikro- (10-6 m) en nanoschaal (10-9 m).
“De grafeenlagen kunnen worden gebruikt om de bandkloof in te stellen”, zegt medeonderzoekster en hoofdauteur Julia Chang. “Dat maakt de halfgeleider meer of minder gevoelig.” Door dat de onderzoekers bismuth hadden gebruikt waren de structuren ook lichtgevoelig, waardoor de eigenschappen van het circuit ook door licht zijn te sturen.
“Je kunt die zaken zo groot maken als de mal toestaat”, zegt Thuo. “Je kunt ook de halfgeleidercomponenten sturen door welk oplosmiddel je gebruikt (voor de liganden; as), door de afmetingen van de mal en door de verdampingssnelheid. Kortom: we hebben aangetoond dat we zeer gestructureerde, goed regelbare elektronisch materialen kunnen maken voor functionele elektronische componenten. We hebben dat nu aangetoond voor diodes en transistoren. We willen nu ook complexere componenten maken zoals driedimensionale chips.” De onderzoekers zijn bezig het procédé te octrooieren.
Bron: Alpha Galileo