Nieuwe, duurzamere methode voor de productie van microchips en andere nanoschaalapparaten

Het plaatsen van 50 miljard transistoren in een microchip ter grootte van een vingernagel is een prestatie die productiemethoden vereist met een precisie op nanometerniveau: het aanbrengen van dunne lagen en vervolgens etsen, deponeren of het gebruiken van fotolithografie om de patronen van halfgeleider, isolator, metaal en andere materialen te creëren die de minuscule werkende apparaten in de chip vormen.

Het proces is sterk afhankelijk van oplosmiddelen die materialen in elke laag dragen en afzetten. Deze oplosmiddelen kunnen lastig te hanteren zijn en giftig voor het milieu.

Nu hebben onderzoekers onder leiding van Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble hoogleraar Engineering aan Tufts, een nanomanufacturing-aanpak ontwikkeld die water als primair oplosmiddel gebruikt, waardoor het milieuvriendelijker wordt en de deur wordt geopend naar de ontwikkeling van apparaten die anorganische en biologische materialen combineren. onderzoek wordt gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

De uitdaging bij het gebruik van water als oplosmiddel is dat de materialen waarmee het in contact komt tijdens de productie vaak hydrofoob zijn, wat betekent dat ze water afstoten. Net zoals waterparels op een goed gewaxte auto, kan het oppervlak van een siliciumwafer of ander materiaal bestand zijn tegen gelijkmatige coating met een op water gebaseerd materiaal.

Omenetto en zijn team van het Tufts University Silklab ontdekten dat de proteïnebouwsteen van gewone zijde, zijdefibroïne genaamd, de capaciteit van water om vrijwel elk oppervlak gelijkmatig te bedekken aanzienlijk kan verbeteren, afhankelijk van de hoeveelheid fibroïne die wordt toegevoegd.

Andere oppervlakteactieve stoffen die de eigenschappen van water veranderen, worden in de commerciële productie gebruikt om dit probleem op te lossen. Zijdefibroïne kan echter in aanzienlijk kleinere hoeveelheden worden gebruikt, levert resultaten van superieure kwaliteit op en is biologisch en milieuvriendelijk.

“Dit opent een enorme kans in de fabricage van apparaten,” zei Omenetto. “Niet alleen kan men wateroplosbare materialen en metalen op silicium deponeren, maar op allerlei soorten polymeren. We kunnen zelfs biologische moleculen op vrijwel elk oppervlak deponeren en printen met nanometerprecisie.”

Omenetto en zijn team hadden dit vermogen al eerder aangetoond in eerdere studies, waarbij ze een hybride silicium-biologische transistor creëerden die kan reageren op de omgeving, kan schakelen tussen digitale en analoge verwerking en zelfs een voorloper zou kunnen zijn van neuromorfische (hersenachtige) apparaten.

Biologische moleculen worden al gebruikt in combinatie met elektronica om bijvoorbeeld glucose in het bloed, antilichamen die een infectie aangeven en DNA-fragmenten om mutaties te identificeren te detecteren. Door deze moleculen te integreren in gangbare nano-apparaten zoals microchips, kunnen we de volgende generatie biosensoren en processoren ontwerpen die reageren op gezondheid en omgeving.

De nanodevices die in het huidige onderzoek zijn gedemonstreerd met behulp van op water gebaseerde verwerking, omvatten veel componenten die vandaag de dag op grote schaal worden gebruikt in computers, smartphones, zonnecellen en andere technologieën:

• Indiumgalliumzinkoxidetransistoren worden voornamelijk gebruikt in displaytechnologieën, flexibele elektronica, beelddetectie en touchscreens
• Aluminiumoxide-isolatoren die in transistoren worden gebruikt om de elektronenstroom te regelen
• Nikkeloxidefilms die worden gebruikt in optische filters, zonnecellen en transparante displays, en
• Perovskietfilms worden gebruikt in zeer efficiënte zonnecellen, lichtgevende diodes, lichtdetectoren, lasers en geheugenopslag

De prestaties van deze componenten kwamen overeen met die van hun commercieel ontwikkelde tegenhangers. In feite kan de productie van microchips en andere nanodevices op waterbasis eenvoudig worden vervangen door het huidige productieproces, aldus de onderzoekers.