Nieuwe techniek om nanodeeltjes op een oppervlak te rangschikken zonder het materiaal te beschadigen

Contactprinten van nanodeeltjes voor nauwkeurige, schaalbare en zuivere deeltjespatronen. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq4869

Onderzoekers van MIT hebben een techniek ontwikkeld om de rangschikking en plaatsing van nanodeeltjes op een materiaal, zoals het silicium dat wordt gebruikt voor computerchips, nauwkeurig te regelen op een manier die het oppervlak van het materiaal niet beschadigt of vervuilt.

De techniek, die chemie en gerichte assemblageprocessen combineert met conventionele fabricagetechnieken, maakt de efficiënte vorming mogelijk van functies op nanoschaal met hoge resolutie die zijn geïntegreerd met nanodeeltjes voor apparaten zoals sensoren, lasers en LED’s, die hun prestaties zouden kunnen verbeteren.

Transistors en andere apparaten op nanoschaal worden meestal van boven naar beneden gefabriceerd – materialen worden weggeëtst om de gewenste opstelling van nanostructuren te bereiken. Maar het creëren van de kleinste nanostructuren, die de hoogste prestaties en nieuwe functionaliteiten mogelijk maken, vereist dure apparatuur en blijft moeilijk op schaal en met de gewenste resolutie.

Een preciezere manier om apparaten op nanoschaal samen te stellen, is van onderaf. In één schema hebben ingenieurs chemie gebruikt om nanodeeltjes in oplossing te “groeien”, die oplossing op een sjabloon te laten vallen, de nanodeeltjes te rangschikken en ze vervolgens naar een oppervlak over te brengen. Deze techniek brengt echter ook steile uitdagingen met zich mee.

Eerst moeten duizenden nanodeeltjes efficiënt op de sjabloon worden gerangschikt. En om ze op een oppervlak over te brengen, is meestal een chemische lijm, grote druk of hoge temperaturen nodig, die de oppervlakken en het resulterende apparaat kunnen beschadigen.

De MIT-onderzoekers ontwikkelden een nieuwe aanpak om deze beperkingen te overwinnen. Ze gebruikten de krachtige krachten die op nanoschaal bestaan ​​om deeltjes efficiënt in een gewenst patroon te rangschikken en ze vervolgens over te brengen naar een oppervlak zonder chemicaliën of hoge druk en bij lagere temperaturen. Omdat het oppervlaktemateriaal ongerept blijft, kunnen deze structuren op nanoschaal worden verwerkt in componenten voor elektronische en optische apparaten, waar zelfs minuscule onvolkomenheden de prestaties kunnen belemmeren.

“Deze benadering stelt je in staat om, door middel van engineering van krachten, de nanodeeltjes, ondanks hun zeer kleine formaat, in deterministische arrangementen met een resolutie van één deeltje en op verschillende oppervlakken te plaatsen, om bibliotheken van bouwstenen op nanoschaal te creëren die zeer unieke eigenschappen kunnen hebben, of het zijn hun interacties tussen licht en materie, elektronische eigenschappen, mechanische prestaties, enz.”, zegt Farnaz Niroui, de EE Landsman Career Development Assistant Professor of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) aan het MIT, een lid van het MIT Research Laboratory of Electronics , en senior auteur van een nieuw artikel waarin het werk wordt beschreven.

“Door deze bouwstenen te integreren met andere nanostructuren en materialen, kunnen we apparaten bereiken met unieke functionaliteiten die niet gemakkelijk haalbaar zouden zijn om te maken als we alleen de conventionele top-down fabricagestrategieën zouden gebruiken.”

Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang. Niroui’s co-auteurs zijn hoofdauteur Weikun “Spencer” Zhu, een afgestudeerde student aan de afdeling Chemische Technologie, evenals EECS-afgestudeerde studenten Peter F. Satterthwaite, Patricia Jastrzebska-Perfect en Roberto Brenes.

Gebruik de krachten

Om te beginnen met hun fabricagemethode, bekend als contactprinten met nanodeeltjes, gebruiken de onderzoekers chemie om nanodeeltjes met een gedefinieerde grootte en vorm in een oplossing te creëren. Met het blote oog lijkt dit op een flacon met gekleurde vloeistof, maar inzoomen met een elektronenmicroscoop zou miljoenen kubussen onthullen, elk slechts 50 nanometer groot. (Een mensenhaar is ongeveer 80.000 nanometer breed.)

De onderzoekers maken vervolgens een sjabloon in de vorm van een flexibel oppervlak bedekt met geleiders ter grootte van nanodeeltjes, of vallen, die zijn gerangschikt in de vorm die ze willen dat de nanodeeltjes aannemen. Nadat ze een druppel nanodeeltjesoplossing aan de sjabloon hebben toegevoegd, gebruiken ze twee nanoschaalkrachten om de deeltjes naar de juiste positie te verplaatsen. De nanodeeltjes worden vervolgens overgebracht op willekeurige oppervlakken.

Op nanoschaal worden verschillende krachten dominant (net zoals zwaartekracht een dominante kracht is op macroschaal). Capillaire krachten zijn dominant wanneer de nanodeeltjes in vloeistof zijn en van der Waals-krachten zijn dominant op het grensvlak tussen de nanodeeltjes en het vaste oppervlak waarmee ze in contact zijn. Wanneer de onderzoekers een druppel vloeistof toevoegen en deze over de sjabloon slepen, verplaatsen capillaire krachten de nanodeeltjes in de gewenste val en plaatsen ze ze precies op de juiste plek. Zodra de vloeistof opdroogt, houden Van der Waals-krachten die nanodeeltjes op hun plaats.

“Deze krachten zijn alomtegenwoordig en kunnen vaak schadelijk zijn als het gaat om de fabricage van objecten op nanoschaal, omdat ze de ineenstorting van de structuren kunnen veroorzaken. Maar we zijn in staat om manieren te bedenken om deze krachten heel precies te beheersen om ze te gebruiken om te bepalen hoe dingen worden op nanoschaal gemanipuleerd”, zegt Zhu.

Ze ontwerpen de sjabloongeleiders om de juiste maat en vorm te hebben, en in de precies juiste opstelling, zodat de krachten samenwerken om de deeltjes te rangschikken. De nanodeeltjes worden vervolgens op oppervlakken geprint zonder dat er oplosmiddelen, oppervlaktebehandelingen of hoge temperaturen nodig zijn. Dit houdt de oppervlakken ongerept en de eigenschappen intact, terwijl opbrengsten van meer dan 95 procent mogelijk zijn. Om deze overdracht te bevorderen, moeten de oppervlaktekrachten zo worden ontworpen dat de van der Waals-krachten sterk genoeg zijn om consequent te bevorderen dat deeltjes van de sjabloon loskomen en zich hechten aan het ontvangende oppervlak wanneer ze in contact worden gebracht.

Unieke vormen, diverse materialen, schaalbare verwerking

Het team gebruikte deze techniek om nanodeeltjes in willekeurige vormen te rangschikken, zoals letters van het alfabet, en ze vervolgens met een zeer hoge positienauwkeurigheid naar silicium over te brengen. De methode werkt ook met nanodeeltjes die andere vormen hebben, zoals bollen, en met diverse materiaalsoorten. En het kan nanodeeltjes effectief overbrengen naar verschillende oppervlakken, zoals goud of zelfs flexibele substraten voor elektrische en optische structuren en apparaten van de volgende generatie.

Hun aanpak is ook schaalbaar, dus het kan worden uitgebreid om te worden gebruikt voor de fabricage van real-world apparaten.

Niroui en haar collega’s werken nu aan het gebruik van deze benadering om nog complexere structuren te creëren en deze te integreren met andere materialen op nanoschaal om nieuwe soorten elektronische en optische apparaten te ontwikkelen.