Un notable proyecto de prueba de concepto ha fabricado con éxito diodos y transistores a nanoescala utilizando una nueva técnica de producción rápida y económica en la que se dirige metal líquido para que se autoensamble en estructuras tridimensionales precisas.
En un estudio revisado por pares que se publicará en la revista Materials Horizons, un equipo de la Universidad Estatal de Carolina del Norte describió y demostró el nuevo método utilizando una aleación de indio, bismuto y estaño, conocida como metal de Field.
El metal líquido se colocó junto a un molde, que según los investigadores se puede fabricar en cualquier tamaño o forma. Al exponerse al oxígeno, se forma una fina capa de óxido en la superficie del metal. Luego, se vierte sobre él un líquido que contiene moléculas de ligando cargadas negativamente diseñadas para extraer átomos metálicos individuales de esa capa de óxido como iones cargados positivamente y unirse con ellos.
Estos iones metálicos contenidos en los ligandos se vuelven un poco como bloques de construcción magnéticos, atraídos entre sí y, a medida que la solución del ligando comienza a fluir a través de canales en el molde, impulsada por la acción capilar, arrastra estos bloques de construcción con ella. Básicamente, el molde hace que los bloques se alineen en estructuras ordenadas, como cables, y se peguen entre sí en su lugar.
Los moldes de canal cerrado producen estructuras finales mucho más consistentes que los moldes de canal abierto.
Julia Chang/Universidad Estatal de Carolina del Norte
“Sin el molde, estas estructuras pueden formar patrones algo caóticos”, dice Martin Thuo, autor correspondiente y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. “Pero debido a que la solución está limitada por el molde, las estructuras se forman en matrices simétricas y predecibles”.
Una vez que todo está en su lugar, la parte líquida de la solución de ligando comienza a evaporarse, lo que tiene el efecto de apretar aún más los ligandos y los iones metálicos en sus canales. Luego se retira el molde y la forma final se calienta lentamente a unos 600 °C (1112 °F) y se mantiene allí durante una hora.
Este proceso de calentamiento proporciona suficiente energía para romper los enlaces químicos que mantienen unidas las moléculas del ligando, de modo que se liberan átomos de carbono y oxígeno.
El oxígeno se une inmediatamente a los iones metálicos, formando óxidos metálicos semiconductores que se fusionan entre sí en un proceso de sinterización para formar cables. Mientras tanto, los átomos de carbono se organizan en grafeno, que se envuelve cuidadosamente alrededor de los cables para mejorar su conductividad eléctrica, protegiéndolos de la humedad o de una mayor oxidación.
Imágenes SEM de secciones transversales de cuadrícula de 2 capas, resaltando los puntos de contacto entre las capas.
Julia Chang/Universidad Estatal de Carolina del Norte
Los investigadores demostraron que también pueden utilizar estas capas de grafeno para modificar las propiedades eléctricas y optoeléctricas de los cables resultantes. “Las láminas de grafeno se pueden utilizar para ajustar la banda prohibida de los semiconductores, haciendo que el semiconductor responda más o menos, dependiendo de la calidad del grafeno”, dice Julia Chang, primera autora del artículo e investigadora postdoctoral en NC State.
Aunque el proceso de calentamiento provoca una “severa contracción del volumen”, los cables resultantes permanecen continuos y no se rompen.
“En resumen, hemos demostrado que podemos autoensamblar materiales electrónicos altamente estructurados y sintonizables para su uso en dispositivos electrónicos funcionales”, dice Thuo. “Este trabajo demostró la creación de transistores y diodos. El siguiente paso es utilizar esta técnica para fabricar dispositivos más complejos, como chips tridimensionales”.
“La naturaleza de la técnica D-Met (ligando metálico dirigido)”, continúa, “significa que puedes fabricar estos materiales a gran escala; solo estás limitado por el tamaño del molde que utilizas”.
Las imágenes del microscopio electrónico de barrido muestran formas y patrones complejos en los metales fabricados.
Julia Chang/Universidad Estatal de Carolina del Norte
El equipo dice que la técnica ofrece una forma más rápida, económica y confiable de fabricar chips de computadora. “Las técnicas de fabricación de chips existentes implican muchos pasos y se basan en tecnologías extremadamente complejas, lo que hace que el proceso sea costoso y requiera mucho tiempo”, afirma Thuo. “Nuestro método de autoensamblaje es significativamente más rápido y menos costoso. También hemos demostrado que podemos utilizar el proceso para ajustar la banda prohibida de materiales semiconductores y hacer que los materiales respondan a la luz, lo que significa que esta técnica se puede utilizar para crear dispositivos optoelectrónicos.
“Es más, las técnicas de fabricación actuales tienen un bajo rendimiento, lo que significa que producen una cantidad relativamente grande de chips defectuosos que no se pueden utilizar. Nuestro enfoque es el alto rendimiento, lo que significa que se obtiene una producción más consistente de matrices y menos desperdicio”.
Es un trabajo bastante notable, pero en el juego de la electrónica, el tamaño es clave. Eche un vistazo rápido al extraordinario vídeo a continuación para tener una idea de cuán pequeños deben ser los “cables” en un chip de CPU moderno.
¿Cómo se fabrican los microchips? 🖥️🛠️ Pasos del proceso de fabricación de CPU
Las técnicas de producción de última generación utilizadas por fabricantes como TSMC de Taiwán pueden producir características con dimensiones mínimas tan pequeñas como 3 nm, o aproximadamente el ancho de 15 átomos de silicio individuales. Es absolutamente asombroso que esta fabricación en masa esté ocurriendo tan cerca de la escala del átomo individual, pero cuanto más pequeño se vuelve, más rápido y eficiente puede llegar a ser el chip resultante.
¿Cómo se compara esta tecnología de “autoensamblaje” con eso? Bueno, en el estudio publicado, los investigadores lograron fabricar con éxito cables desde aproximadamente 1000 nm hasta 44 nm.
Los cables más delgados producidos en el estudio tenían solo 44 nm de ancho
Julia Chang/Universidad Estatal de Carolina del Norte
Eso es bastante increíble; Se trata de una técnica de fabricación adecuada con capacidad a nanoescala que es más rápida, más barata y más fiable que los mejores métodos actuales, incluso si todavía no puede competir en resolución final a escala atómica. No está claro si la técnica D-Met se puede adaptar para funcionar a escalas aún más pequeñas, pero el equipo de investigación cree que es verdaderamente capaz de ampliarse en términos de producción en masa.
El artículo es de acceso abierto, posterior a la revisión por pares y previo a la publicación en la revista Materials Horizons.
Fuente: Universidad Estatal de Carolina del Norte
