Ontdekking van een nieuw assemblageproces voor nanodraden kan krachtigere computerchips mogelijk maken

Nanodraad overdracht proces. a) Een enkele nanodraad wordt opgepikt door de taps toelopende polymeertip uit een bos van nanodraden op het groeisubstraat. De nanodraad hecht aan de punt dankzij de versterkte van der Waals-krachten die de zwakkere interacties tussen gladde, kristallijne nanodraadoppervlakken overwinnen. b) De nanodraad op de punt wordt op een koepelvormige PDMS-stempel geplaatst die over een glasplaatje is uitgehard. Merk op dat de hechting van de PDMS-stempel op de nanodraad groter is dan die van de punt. c) De stempel met de nanodraad wordt ondersteboven gekeerd en de uitlijning met de apparaatchip gebeurt onder een lichtmicroscoop. Na uitlijning wordt de stempel over elektroden op het apparaatsubstraat gedrukt. d) De afzetting van nanodraad is voltooid met het verwijderen van de stempel. Credit: Klein (2022). DOI: 10.1002/smll.202201968

Onderzoekers van de afdeling Materialen van de Universiteit van Oxford hebben een techniek ontwikkeld om nanodraden nauwkeurig te manipuleren en te plaatsen met een nauwkeurigheid van minder dan een micron. Deze ontdekking zou de ontwikkeling van nog kleinere en krachtigere computerchips kunnen versnellen.

In een nieuw gepubliceerde studie beschrijft een team van onderzoekers van de afdeling Materialen van de Universiteit van Oxford onder leiding van Harish Bhaskaran, hoogleraar Toegepaste Nanomaterialen, een baanbrekende benadering om enkele nanodraden op te pikken van het groeisubstraat en ze op vrijwel elk platform met submicron nauwkeurigheid.

De innovatieve methode maakt gebruik van nieuwe hulpmiddelen, waaronder ultradunne filamenten van polyethyleentereftalaat (PET) met taps toelopende nanoschaaltips die worden gebruikt om individuele nanodraden op te pikken. Op deze fijne schaal zorgen adhesieve van der Walls-krachten (kleine aantrekkingskrachten die optreden tussen atomen en moleculen) ervoor dat de nanodraden in contact komen met de uiteinden. De nanodraden worden vervolgens overgebracht naar een transparante koepelvormige elastische stempel die op een glasplaatje is gemonteerd. Deze stempel wordt vervolgens ondersteboven gekeerd en uitgelijnd met de apparaatchip, waarbij de nanodraad voorzichtig op het oppervlak wordt gedrukt.

Afgezette nanodraden vertoonden sterke hechtende eigenschappen en bleven op hun plaats, zelfs wanneer het apparaat in vloeistof werd ondergedompeld. Het onderzoeksteam was ook in staat om nanodraden te plaatsen op fragiele substraten, zoals ultradunne membranen van 50 nanometer, wat de delicatesse en veelzijdigheid van de stempeltechniek aantoont.

Bovendien gebruikten de onderzoekers de methode om een ​​optomechanische sensor te bouwen (een instrument dat laserlicht gebruikt om trillingen te meten) die 20 keer gevoeliger was dan bestaande op nanodraad gebaseerde apparaten.

Nanodraden, materialen met een diameter van 1000 keer kleiner dan een mensenhaar en fascinerende fysieke eigenschappen, kunnen grote vooruitgang mogelijk maken op veel verschillende gebieden, van energieoogstmachines en sensoren tot informatie- en kwantumtechnologieën. Met name hun minuscule omvang zou de ontwikkeling van kleinere transistors en geminiaturiseerde computerchips mogelijk maken. Een groot obstakel om het volledige potentieel van nanodraden te realiseren, was echter het onvermogen om ze precies in apparaten te plaatsen.

De meeste productietechnieken voor elektronische apparaten kunnen de omstandigheden die nodig zijn om nanodraden te produceren niet verdragen. Daarom worden nanodraden meestal op een apart substraat gekweekt en vervolgens mechanisch of chemisch overgebracht naar het apparaat. In alle bestaande nanodraadoverdrachtstechnieken worden de nanodraden echter willekeurig op het chipoppervlak geplaatst, wat hun toepassing in commerciële apparaten beperkt.

DPhil-student Utku Emre Ali (afdeling Materialen), die de techniek ontwikkelde, zei: “Dit nieuwe pick-and-place assemblageproces heeft ons in staat gesteld om de eerste in zijn soort apparaten in het nanodraadrijk te maken. We geloven dat het zal nanodraadonderzoek op een goedkope manier bevorderen door gebruikers in staat te stellen nanodraden te integreren met bestaande on-chipplatforms, hetzij elektronisch of fotonisch, waardoor fysieke eigenschappen worden ontsloten die tot nu toe niet haalbaar waren.Bovendien zou deze techniek volledig kunnen worden geautomatiseerd, waardoor fabricage op volledige schaal mogelijk wordt hoogwaardige nanodraad-geïntegreerde chips een reële mogelijkheid.”

“A Universal Pick-and-Place Assembly for Nanowires” is gepubliceerd in het tijdschrift Klein.