Los investigadores del MIT han encontrado una nueva forma de hacer estructuras tridimensionales complejas utilizando materiales poliméricos autoensamblables que forman pequeños cables y uniones. El trabajo tiene el potencial de marcar el comienzo de una nueva generación de microchips y otros dispositivos compuestos de características submicroscópicas.

Aunque antes se han producido estructuras de autoensamblaje similares con alambres muy finos, esta es la primera vez que las estructuras se han ampliado en tres dimensiones con diferentes, configuraciones independientes en diferentes capas, dicen los investigadores. La investigación se publica esta semana en la revista Ciencias .

Caroline Ross, el profesor Toyota de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, dice que ha habido "mucho interés" entre los investigadores de semiconductores en encontrar formas de producir características de chip que sean mucho más estrechas que la longitud de onda de la luz y, por lo tanto, más estrechas de lo que se puede lograr utilizando los actuales sistemas de fabricación basados ​​en la luz. El autoensamblaje basado en polímeros ha sido un área de investigación activa, Ross dice:pero "lo que hicimos en este documento fue llevarlo a la tercera dimensión".

Ella y sus colegas comenzaron creando una serie de pequeños postes sobre un sustrato de silicio; luego recubrieron la superficie con materiales llamados copolímeros de bloque, que tienen una tendencia natural a ensamblarse en estructuras cilíndricas largas. Controlando cuidadosamente el espaciado inicial de los postes, Ross explica, los investigadores pudieron establecer el espaciado, anglos, curvas y uniones de los cilindros que se forman en la superficie. Además, ella dice, “Cada una de las dos capas de cilindros se puede controlar de forma independiente utilizando estos postes, ”Lo que hace posible crear configuraciones complejas en 3-D.

Amir Tavakkoli, estudiante graduado visitante de la Universidad Nacional de Singapur y autor principal de la Ciencias papel, dice que muchos investigadores han intentado producir arreglos complejos de cables a nanoescala mediante el autoensamblaje. Pero los intentos anteriores utilizaron procesos complejos con muchos pasos, y no había podido controlar bien las configuraciones resultantes. El nuevo sistema es más simple, Tavakkoli dice:y "no solo controló la alineación de los cables, pero demostró que incluso podemos tener curvas pronunciadas y uniones ”en ubicaciones determinadas con precisión.

"No se esperaba que fuera posible, ”Dice el estudiante graduado del MIT Kevin Gotrik. “Fue un resultado sorprendente. Nos topamos con eso y luego tuve que averiguar cómo funciona ".

Hubo una serie de barreras que superar para hacer que el sistema fuera práctico, Dice Gotrik. Por ejemplo, los postes fabricados en superficie son la clave para controlar todo el proceso de autoensamblaje, pero deben ser un poco más altos que anchos, lo que podría llevar a algunos a caer; El equipo del MIT finalmente encontró materiales y formas que serían estables. "Exploramos una amplia gama de condiciones, ”Dice Gotrik.

El estudiante de posgrado Adam Hannon dice que el equipo usó simulaciones por computadora de las estructuras para explorar los efectos de diferentes configuraciones de postes en la estructura tridimensional de doble capa. Estas simulaciones se compararon con las estructuras más prometedoras observadas en el laboratorio para obtener una mayor comprensión de cómo controlar las estructuras resultantes que se formaron.

Hasta aquí, el equipo del MIT solo ha producido configuraciones de dos capas, pero Alfredo Alexander-Katz, un profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, dice, “Creo que sería factible ir a tres capas” manteniendo un control total sobre la disposición de las estructuras en cada capa.

Una tecnología habilitadora clave fue la capacidad del laboratorio del MIT, utilizando litografía por haz de electrones, para hacer postes cilíndricos de 10 nanómetros de ancho con un posicionamiento controlado con precisión. Estas publicaciones, Sucesivamente, guiar el posicionamiento de los cilindros autoensamblados. Karl Berggren, un profesor asociado de ingeniería eléctrica, dice que es como si la litografía derribara una serie de pilares, y estos pilares controlan el complejo, enrutamiento multinivel de carreteras entrecruzadas.

En un trabajo anterior, Los investigadores del MIT habían demostrado que este método de autoensamblaje podría usarse para crear cables que son mucho más finos que los que se pueden hacer con las técnicas de fotolitografía existentes para producir microchips, y así ayudar a abrir el camino hacia dispositivos de próxima generación que empacan aún más. cables y transistores en un área determinada de material de chip de silicio. "En principio, esto es escalable a dimensiones bastante pequeñas, "Ross dice, mucho más pequeño que el ancho de 15 nanómetros de los cilindros producidos hasta ahora, que ya es menos de la mitad del ancho de los cables más finos de los microchips existentes.

Las tecnologías básicas involucradas son compatibles con los equipos de fabricación existentes en la industria de los semiconductores. dicen los investigadores. Pero esta es una investigación básica que probablemente aún esté lejos de la producción real de chips, advierten. Durante el próximo año, el equipo espera utilizar esta metodología para producir un dispositivo electrónico simple.

La técnica no se limita a producir cables en un chip de silicio, Ross y sus colegas dicen. El mismo método podría usarse para crear matrices 3-D de otros tipos de materiales, como proteínas o moléculas de ADN, por ejemplo, para crear detectores biológicos o sistemas de administración de fármacos.

Craig Hawker, profesor de química y bioquímica en la Universidad de California en Santa Bárbara, dice que se trata de un "hallazgo de gran alcance, ”Que“ contribuye en gran medida a satisfacer las demandas de la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores, lo que requiere una robusta, técnica de nanopatrones comercialmente viable ".

Hawker agrega, “La solidez y el poder de este enfoque también pueden conducir a aplicaciones fuera de la litografía y la microelectrónica, con impacto en la depuración de agua, membranas y fotovoltaica orgánica ”. Dice que este trabajo es“ un ejemplo espectacular de trabajo multidisciplinario, con los avances de la química, la física y la nanotecnología se combinan a la perfección para abordar un problema tecnológico crítico e importante de la sociedad ".

El trabajo fue apoyado por Semiconductor Research Corporation, el Centro FENA, la Iniciativa de Investigación en Nanoelectrónica, la Alianza Singapur-MIT, la Fundación Nacional de Ciencias, Tokyo Electron y Taiwan Semiconductor Manufacturing Company.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.