El físico de Brookhaven Aaron Stein, autor principal del estudio, está en la sala blanca del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del Laboratorio Nacional de Brookhaven. Stein y sus coautores utilizaron el escritor de litografía por haz de electrones en segundo plano para grabar plantillas que impulsan el autoensamblaje de copolímeros de bloque de formas controlables con precisión. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Para seguir avanzando, Los dispositivos electrónicos de próxima generación deben aprovechar al máximo la nanoescala, donde los materiales abarcan apenas mil millonésimas de metro. Pero equilibrando la complejidad, precisión, y la escalabilidad de fabricación en escalas tan fantásticamente pequeñas es inevitablemente difícil. Afortunadamente, algunos nanomateriales pueden ser persuadidos para que se encajen en las formaciones deseadas, un proceso llamado autoensamblaje.
Los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) acaban de desarrollar una forma de dirigir el autoensamblaje de múltiples patrones moleculares dentro de un solo material, produciendo nuevas arquitecturas a nanoescala. Los resultados fueron publicados en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
"Este es un salto conceptual significativo en el autoensamblaje, "dijo el físico de Brookhaven Lab, Aaron Stein, autor principal del estudio. "En el pasado, estábamos limitados a un único patrón emergente, pero esta técnica rompe esa barrera con relativa facilidad. Esto es importante para la investigación básica, ciertamente, pero también podría cambiar la forma en que diseñamos y fabricamos productos electrónicos ".
Microchips, por ejemplo, utilice plantillas meticulosamente modeladas para producir las estructuras a nanoescala que procesan y almacenan información. A través del autoensamblaje, sin embargo, estas estructuras pueden formarse espontáneamente sin ese patrón preliminar exhaustivo. Y ahora, El autoensamblaje puede generar múltiples patrones distintos, lo que aumenta enormemente la complejidad de las nanoestructuras que se pueden formar en un solo paso.
"Esta técnica se adapta con bastante facilidad a los flujos de trabajo de fabricación de microchips existentes, "dijo el coautor del estudio Kevin Yager, también físico de Brookhaven. "Es emocionante hacer un descubrimiento fundamental que algún día podría llegar a nuestras computadoras".
El trabajo experimental se llevó a cabo en su totalidad en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, aprovechando la experiencia y la instrumentación internas.
La litografía por haz de electrones se utiliza para ajustar el espaciado y el grosor de los patrones de línea grabados en una plantilla (capa inferior). Estos patrones impulsan un copolímero de bloque de autoensamblaje (capa superior) para formar localmente diferentes tipos de patrones, dependiendo de la plantilla subyacente. Por lo tanto, se puede persuadir a un solo material para que forme nanopatrones distintos, por ejemplo, líneas o puntos ‹muy próximos. Estos materiales de configuración mixta podrían dar lugar a nuevas aplicaciones en microelectrónica. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Cocinando complejidad organizada
La colaboración utilizó copolímeros de bloque, cadenas de dos moléculas distintas unidas entre sí, debido a su capacidad intrínseca para autoensamblarse.
"Tan poderoso como es el autoensamblaje, sospechamos que guiar el proceso lo mejoraría para crear un autoensamblaje verdaderamente 'receptivo', ", dijo el coautor del estudio Greg Doerk de Brookhaven." Eso es exactamente donde lo impulsamos ".
Para guiar el autoensamblaje, los científicos crean plantillas de sustrato precisas pero simples. Using a method called electron beam lithography-Stein's specialty-they etch patterns thousands of times thinner than a human hair on the template surface. They then add a solution containing a set of block copolymers onto the template, spin the substrate to create a thin coating, and "bake" it all in an oven to kick the molecules into formation. Thermal energy drives interaction between the block copolymers and the template, setting the final configuration-in this instance, parallel lines or dots in a grid.
"In conventional self-assembly, the final nanostructures follow the template's guiding lines, but are of a single pattern type, " Stein said. "But that all just changed."
Brookhaven National Laboratory Center for Functional Nanomaterials researchers Gwen Wright and Aaron Stein are at the electron beam lithography writer in the CFN cleanroom. Credit:Brookhaven National Laboratory
Lines and dots, viviendo juntos
The collaboration had previously discovered that mixing together different block copolymers allowed multiple, co-existing line and dot nanostructures to form.
"We had discovered an exciting phenomenon, but couldn't select which morphology would emerge, " Yager said. But then the team found that tweaking the substrate changed the structures that emerged. By simply adjusting the spacing and thickness of the lithographic line patterns-easy to fabricate using modern tools-the self-assembling blocks can be locally converted into ultra-thin lines, or high-density arrays of nano-dots.
"We realized that combining our self-assembling materials with nanofabricated guides gave us that elusive control. And, por supuesto, these new geometries are achieved on an incredibly small scale, " said Yager.
"In essence, " said Stein, "we've created 'smart' templates for nanomaterial self-assembly. How far we can push the technique remains to be seen, but it opens some very promising pathways."
Gwen Wright, another CFN coauthor, added, "Many nano-fabrication labs should be able to do this tomorrow with their in-house tools-the trick was discovering it was even possible."
The scientists plan to increase the sophistication of the process, using more complex materials in order to move toward more device-like architectures.
"The ongoing and open collaboration within the CFN made this possible, " said Charles Black, director of the CFN. "We had experts in self-assembly, electron beam lithography, and even electron microscopy to characterize the materials, all under one roof, all pushing the limits of nanoscience."
