Los investigadores han demostrado una nueva técnica para el autoensamblaje de dispositivos electrónicos. El trabajo de prueba de concepto se utilizó para crear diodos y transistores, y allanó el camino para el autoensamblaje de dispositivos electrónicos más complejos sin depender de las técnicas de fabricación de chips de computadora existentes.
“Las técnicas actuales de fabricación de chips implican muchos pasos y se basan en tecnologías muy complejas, lo que hace que el proceso sea caro y requiere mucho tiempo”, afirma el autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y la ciencia de los materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, Martin Tho, profesor de ingeniería. . “Nuestro método de autoensamblaje es significativamente más rápido y menos costoso. También hemos demostrado que podemos usar este proceso para ajustar la banda prohibida de los materiales semiconductores y hacer que el material responda a la luz. Esto significa que esta técnica puede usarse para fabricar dispositivos optoelectrónicos.
“Es más, las técnicas de fabricación actuales son de bajo rendimiento, lo que significa que producen cantidades relativamente grandes de chips defectuosos que no se pueden utilizar. Nuestro enfoque es de alto rendimiento, lo que significa que se obtiene una producción más consistente de matrices y menos desperdicio. “
Thu llama a la nueva técnica de autoensamblaje reacción dirigida de metal-ligando (D-Met). como funciona
Comienzas con partículas de metal líquido. Para su trabajo de prueba de concepto, los investigadores utilizaron el metal de Feld, una aleación de indio, bismuto y estaño. Las partículas de metal líquido se colocan frente a un molde, al que se le puede dar cualquier tamaño o patrón. Luego se vierte una solución sobre el metal líquido. Esta solución contiene moléculas llamadas ligandos, que se forman combinando carbono y oxígeno. Estos ligandos recolectan iones de la superficie del metal líquido y los mantienen en un patrón geométrico específico. La solución fluye hacia las partículas de metal líquido y se introduce en el molde.
A medida que la solución fluye a través de la plantilla, los ligandos ionizados comienzan a ensamblarse en estructuras tridimensionales más complejas. Mientras tanto, la porción líquida de la solución comienza a evaporarse, lo que sirve para unir las estructuras complejas cada vez más en una matriz.
“Sin moho, estas estructuras pueden formar patrones algo caóticos”, afirma Thu. “Pero debido a que la solución está limitada por el molde, las estructuras se forman en matrices simétricas y predecibles”.
Una vez que la estructura alcanza el tamaño deseado, se retira el molde y se calienta la matriz. Este calor rompe los ligandos, liberando átomos de carbono y oxígeno. Los iones metálicos interactúan con el oxígeno para formar óxidos metálicos semiconductores, mientras que los átomos de carbono forman láminas de grafeno. Estos componentes se ensamblan en una estructura bien ordenada en la que las moléculas de óxido metálico semiconductor están envueltas en láminas de grafeno. Los investigadores utilizaron esta técnica para crear transistores y diodos a nanoescala y microescala.
“Las láminas de grafeno se pueden utilizar para ajustar la banda prohibida de los semiconductores, haciendo que el semiconductor responda más o menos, dependiendo de la calidad del grafeno”, dijo Julia Chang, primera autora del artículo e investigadora postdoctoral en NC State.
Además, debido a que los investigadores utilizaron bismuto en el trabajo de prueba de concepto, pudieron crear estructuras que respondían a la luz de la foto. Esto permite a los investigadores manipular las propiedades de los semiconductores utilizando la luz.
“La naturaleza de la técnica D-Met significa que se puede producir este material en masa; sólo estás limitado por el tamaño del molde que utilizas”, dice Thu. “También se puede controlar la estructura del semiconductor manipulando el tipo de líquido utilizado en la solución, las dimensiones del molde y la tasa de evaporación de la solución.
“En resumen, hemos demostrado que podemos autoensamblar materiales electrónicos altamente estructurados y sintonizables para su uso en dispositivos electrónicos activos”, dice Thu. “Este trabajo demostró la creación de transistores y diodos. El siguiente paso es utilizar esta técnica para crear dispositivos más complejos, como chips tridimensionales”.
Documento, “Orientación Hasta el infinito Assembly of Mixed Metal Oxide Arrays from Liquid Metals” se publica en la revista Open Access. Horizonte material. La primera autora del artículo es Julia Chang, investigadora postdoctoral en NC State. El artículo fue coautor del investigador postdoctoral de NC State, Andrew Martin. Alana Paulus y Dhanush Jamadagni, Ph.D. Estudiantes de NC State; y por Chuanshin Du, Li Wei, Thomas Ward y Meng Lu de la Universidad Estatal de Iowa.
Chang, Martin y Tho de Mat buscan patentes relacionadas con la investigación. Chang, Ward y Do tienen otra patente pendiente relacionada con la investigación de demet.
Este trabajo fue apoyado por el Centro de Sistemas de Partículas Complejos de la Fundación Nacional de Ciencias bajo la subvención 2243104.
