Esquemas que describen el proceso de síntesis de infiltración para la fabricación de nuevos materiales. Arriba:generación de un híbrido orgánico-inorgánico mediante la infiltración de precursores inorgánicos (materiales de partida) en una plantilla orgánica, como una película fina de polímero. Abajo:infiltración selectiva de área en copolímeros de bloque, o polímeros autoensamblados a partir de dos o más "bloques" químicamente distintos. El precursor inorgánico solo se infiltra en los dominios del polímero azul. Luego, la matriz orgánica se elimina selectivamente para generar nanoestructuras inorgánicas que heredan la geometría del dominio del polímero de partida. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Desde el comienzo de la civilización, los humanos han explotado nuevos materiales para mejorar sus vidas, de la Edad de Piedra prehistórica, Edad de Bronce, y la Edad del Hierro hasta la Edad del Silicio moderna. Con cada período se produjeron avances tecnológicos que transformaron la forma en que vivimos. Considere la invención de 1961 del chip de silicio, que allanó el camino para la revolución digital. Sin este pequeño componente electrónico, no tendríamos computadoras portátiles ni teléfonos celulares.
Abordar los desafíos actuales requerirá igualmente avances materiales. Por ejemplo, ¿Cómo hacemos paneles solares que conviertan la luz solar en electricidad de manera más eficiente? ¿Baterías que duran más? ¿Dispositivos electrónicos cada vez más pequeños? Los científicos están buscando soluciones a estas mismas preguntas a través de la ciencia y la ingeniería de materiales. Ambos están mejorando el rendimiento de los materiales existentes y creando materiales nuevos con propiedades incomparables.
En la última década, Los científicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) se han establecido como líderes en esta área. En particular, están desarrollando un nuevo método para fabricar materiales:síntesis por infiltración.
Como sugiere su nombre, la síntesis de infiltración implica infiltrar, o infundir, un material en otro. Al infundir un material inorgánico (que no contiene carbono) en un material orgánico (que contiene carbono), se puede generar un material "híbrido" con propiedades que no se ven en ninguno de los componentes de partida. Las especies orgánicas podrían ser películas delgadas de polímero, polímeros modelados en una forma geométrica particular utilizando una fuente de luz o haz de electrones (una técnica conocida como litografía), polímeros autoensamblados a partir de dos o más "bloques" químicamente distintos (copolímero de bloques), o incluso estructuras de ADN autoensambladas. La infiltración se produce cuando la matriz orgánica se expone a precursores líquidos o gaseosos que contienen inorgánicos (materiales de partida) en un orden alterno.
Imágenes de microscopio óptico y electrónico de barrido de una matriz de nanocables de óxido de zinc, transistor de la matriz de nanocables, y fotodetector de matriz de nanocables de luz ultravioleta (UV) (arriba). Los científicos combinaron la síntesis de infiltración y la litografía para fabricar matrices de nanocables alineadas con precisión e integrarlas en los dispositivos. El fotodetector tiene una sensibilidad ultra alta a la luz ultravioleta, como se muestra en el gráfico (abajo). Crédito: Materiales ópticos avanzados (2017)
Colocando el material híbrido bajo plasma de oxígeno (un gas cargado eléctricamente) o en un ambiente de oxígeno de alta temperatura, los científicos también pueden eliminar selectivamente el componente orgánico. La parte inorgánica se queda atrás y hereda el patrón orgánico de "plantilla", que es útil para crear nanoestructuras inorgánicas e integrarlas en dispositivos electrónicos.
"Los enfoques convencionales basados en la química pura, como la síntesis química, son complejos, "explicó Chang-Yong Nam, científico del Grupo de Nanomateriales Electrónicos CFN que lidera la investigación de síntesis de infiltración. "No hay garantía de que terminará con las propiedades que apuntó. Y crear características muy pequeñas, que son importantes para fabricar dispositivos electrónicos, es difícil. La síntesis de infiltración aborda estos problemas, y las herramientas necesarias están disponibles en cualquier instalación de nanofabricación ".
Nam, Colegas de CFN, y colaboradores externos han estado demostrando cómo se puede utilizar la síntesis de infiltración para crear una gran cantidad de nuevos materiales funcionales, permitiendo una amplia variedad de aplicaciones.
En 2015, utilizaron síntesis de infiltración y litografía para modelar nanocables inorgánicos (estructuras en forma de alambre con un ancho del orden de mil millonésimas de metro) en un transistor. Este estudio fue el primero en demostrar que la técnica podría usarse para modelar un dispositivo electrónico. Ampliando este concepto inicial, Hicieron arreglos de nanocables perfectamente alineados en fotodetectores altamente sensibles de luz ultravioleta (UV). Para aumentar aún más la sensibilidad, convirtieron patrones de copolímeros de bloques autoensamblables apilados en una arquitectura de "nanomedicina" 3D. La gran superficie y los poros habilitados por esta geometría en capas en 3D permitieron la colocación de muchos más elementos de detección de nanocables.
(Izquierda) Imágenes de microscopio electrónico de barrido de vista superior y lateral de una nanomatriz de ZnO. (Derecha) Un dispositivo de nanomola con electrodos (amarillos) modelados por litografía. Como se muestra en el gráfico, el dispositivo con seis capas absorbió la mayor cantidad de luz ultravioleta, conduciendo a las corrientes eléctricas más altas. Crédito: Nanoescala (2019)
Esta combinación de autoensamblaje de copolímeros en bloque y síntesis de infiltración también ha permitido diversas innovaciones por parte de otros equipos de investigación de la CFN. Por ejemplo, un equipo utilizó la técnica para texturizar la superficie de células solares de silicio con nanoestructuras en forma de cono. Estructuras diminutas similares cubren los ojos de las polillas para evitar el reflejo de la luz, y los científicos demostraron este efecto antirreflectante en las células solares nanotexturizadas, así como sobre superficies de "vidrio invisible". Cuando la luz incide en una célula solar, desea minimizar el reflejo (o alternativamente, maximizar la absorción) para que la energía solar se pueda convertir de manera eficiente en electricidad. Y para pantallas de visualización en computadoras, celulares, y otra electrónica, desea eliminar el reflejo de la luz para evitar el deslumbramiento.
Siguiendo estos estudios sobre materiales inorgánicos, los científicos comenzaron a explorar las propiedades de los materiales híbridos orgánico-inorgánicos también generados por síntesis de infiltración. Por ejemplo, crearon "nanopilares" híbridos que exhibían tanto la alta resistencia de un metal como la baja rigidez de la espuma. Con esta rara combinación de propiedades mecánicas, el material puede almacenar y liberar una cantidad sin precedentes de energía elástica, haciéndolo útil para dispositivos que requieren resortes ultrapequeños, palancas o motores, como acelerómetros, resonadores, y músculos artificiales biosintéticos.
Los científicos también mostraron cómo los híbridos pueden servir como recubrimientos ópticos que reflejan longitudes de onda de luz específicas; sensores de agua y oxígeno de alta sensibilidad; fotorresistentes para transferir características ultrapequeñas al silicio para microelectrónica de próxima generación; recubrimientos completos en nanopartículas individuales para el marcado y seguimiento de células en imágenes biológicas; y agentes de contraste para visualizar la geometría compleja de los copolímeros de bloques 3D.
"Lo sorprendente de la síntesis de infiltración es la capacidad de sintonización, "dijo Kevin Yager, líder del Grupo de Nanomateriales Electrónicos CFN. "Puede marcar con mucha precisión las propiedades deseadas del material seleccionando el infiltrante correcto y el nivel de carga correcto. Esto le permite apuntar a una gran variedad de aplicaciones y optimizar el material para cada tarea específica".
(Arriba) Ilustración de películas delgadas de copolímero en bloque autoensamblado apiladas que se han infiltrado con platino (Pt). La imagen de fondo coloreada muestra una nanomatriz de Pt obtenida al eliminar la matriz orgánica; la nanomastilla podría usarse en catálisis y detección química. (Abajo) Las películas delgadas híbridas cambian de color según el número de capas apiladas. Crédito: Interfaces de material aplicado ACS (2020)
Más recientemente, los científicos han estado estudiando la idoneidad de sus resistencias híbridas para la litografía ultravioleta extrema (EUV). Las empresas de tecnología de semiconductores están utilizando esta técnica emergente para encoger los transistores, los componentes básicos de los componentes electrónicos como las unidades de procesamiento central (CPU) y la memoria de acceso aleatorio (RAM), por debajo de cinco nanómetros. La reducción de las dimensiones de las funciones permitirá la fabricación de dispositivos electrónicos con mayores velocidades de procesamiento y menor consumo de energía. A pesar de la promesa de la litografía EUV, quedan varios desafíos, incluyendo la necesidad de resistencias de alta sensibilidad.
"La litografía EUV requiere resistencias que puedan absorber una gran cantidad de luz EUV, y los materiales orgánicos generalmente carecen de esta capacidad, ", explicó Nam." La infiltración de una especie inorgánica en el componente orgánico puede mejorar la capacidad de absorción ".
(Izquierda) Imágenes de microscopio electrónico de transmisión de secciones transversales de una capa protectora híbrida infiltrada con ZnO. (Derecha) Rendimiento de exposición ultravioleta extrema (EUV) de la capa protectora híbrida y un polímero no infiltrado. La infiltración de ZnO mejora la sensibilidad de EUV (disminución de la dosis crítica) y el contraste de exposición (aumento de la pendiente de la curva). Crédito:Procedimientos de SPIE (2021)
Aunque muchos grupos están desarrollando tecnologías de resistencia, Falta una comprensión de nivel fundamental de la química de infiltración y el proceso de exposición a EUV en las resistencias. Nam y su equipo han comenzado a estudiar este mecanismo en sus resistencias híbridas mediante litografía por haz de electrones y microscopía electrónica de baja energía en el CFN y espectroscopía de dispersión y absorción de rayos X en las interfaces de materia blanda (SMI) y espectroscopía suave y tierno (STT). ) líneas de luz de la fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven. They are also exploring the EUV exposure characteristics and patterning performance of the hybrid resists at the Microfield Exposure Tool (MET) beamline—a private EUV beamline sponsored by leading semiconductor companies, including Intel Corporation and Samsung Electronics—of Lawrence Berkeley National Lab's Advanced Light Source. Their preliminary results provided important feedback on how to optimize the infiltration chemistry and method for enhanced EUV sensitivity.
The team is also making a hybrid-based neuromorphic switching device, which models the way the brain computes and transmits information. In initial demonstrations, their hybrid structure showed potential in mimicking the action of brain synapses, or the connections between neurons. They also found that the hybridization significantly reduced device-to-device performance variability, which is critical for creating practical, large-scale neuromorphic device arrays. Such brain-inspired computing would offer significant leaps in energy efficiency and processing speed for artificial intelligence tasks such as learning, searching, and sensing.
"Avanzando, there's still a lot we can do with infiltration synthesis, " said Nam. "We're excited to continue exploring its diverse applications for next-generation micro- and nanoelectronics and energy technologies, with the hope of contributing to the transformation of our future society."
