Технология, сочетающая химию и процессы направленной сборки с традиционными технологиями изготовления, позволяет эффективно формировать наноразмерные элементы высокого разрешения, интегрированные с наночастицами, для таких устройств, как датчики, лазеры и светодиоды, что может повысить их производительность.

Транзисторы и другие наноразмерные устройства обычно изготавливаются сверху вниз - материалы вытравливаются для достижения желаемого расположения наноструктур. Но создание мельчайших наноструктур, которые могут обеспечить высочайшую производительность и новые функциональные возможности, требует дорогостоящего оборудования и остается труднодостижимым в масштабе и с желаемым разрешением.

Более точный способ сборки наноразмерных устройств - снизу вверх. В одной схеме инженеры использовали химию, чтобы "вырастить" наночастицы в растворе, нанести этот раствор на шаблон, расположить наночастицы, а затем перенести их на поверхность. Однако этот метод также сопряжен с серьезными трудностями. Во-первых, тысячи наночастиц должны быть эффективно расположены на шаблоне. И для переноса их на поверхность обычно требуется химический клей, большое давление или высокие температуры, которые могут повредить поверхности и полученное устройство.

Исследователи Массачусетского технологического института разработали новый подход для преодоления этих ограничений. Они использовали мощные силы, существующие на наноуровне, чтобы эффективно расположить частицы в желаемом порядке, а затем перенести их на поверхность без каких-либо химических веществ или высокого давления и при более низких температурах. Поскольку материал поверхности остается нетронутым, эти наноразмерные структуры могут быть встроены в компоненты электронных и оптических устройств, где даже незначительные дефекты могут снизить производительность.

"Этот подход позволяет с помощью инженерных сил размещать наночастицы, несмотря на их очень маленький размер, в детерминированных компоновках с разрешением в одну частицу и на различных поверхностях, создавать библиотеки наноразмерных строительных блоков, которые могут обладать очень уникальными свойствами, будь то их взаимодействия со светом и веществом, электронные свойства, механические характеристики и т.д.", - говорит Фарназ Нируи, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук EE Landsman по развитию карьеры в Массачусетском технологическом институте, сотрудник исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института и старший автор новой статьи, описывающей работу. "Интегрируя эти строительные блоки с другими наноструктурами и материалами, мы можем затем создавать устройства с уникальными функциональными возможностями, которые было бы нелегко изготовить, если бы мы использовали только обычные стратегии изготовления сверху вниз".

Исследование опубликовано в Научные достижения. Соавторами Нируи являются ведущий автор Вейкун "Спенсер" Чжу, аспирант кафедры химической инженерии, а также аспиранты EECS Питер Ф. Саттертуэйт, Патриция Ястржебска-Перфект и Роберто Бренес.

Используйте свои силы

Чтобы начать свой метод изготовления, известный как контактная печать наночастиц, исследователи используют химию для создания наночастиц определенного размера и формы в растворе. Невооруженным глазом это выглядит как флакон с цветной жидкостью, но при увеличении с помощью электронного микроскопа можно увидеть миллионы кубиков, каждый размером всего 50 нанометров. (Ширина человеческого волоса составляет около 80 000 нанометров.)

Затем исследователи изготавливают шаблон в виде гибкой поверхности, покрытой направляющими размером с наночастицы, или ловушками, которые расположены в форме, которую они хотят, чтобы наночастицы приняли. После добавления капли раствора наночастиц в шаблон они используют две наноразмерные силы для перемещения частиц в нужное положение. Затем наночастицы переносятся на произвольные поверхности.

На наноуровне различные силы становятся доминирующими (точно так же, как гравитация является доминирующей силой на макроуровне). Капиллярные силы доминируют, когда наночастицы находятся в жидкости, а силы ван-дер-Ваальса доминируют на границе раздела между наночастицами и твердой поверхностью, с которой они контактируют. Когда исследователи добавляют каплю жидкости и проводят ею по шаблону, капиллярные силы перемещают наночастицы в нужную ловушку, размещая их точно в нужном месте. Как только жидкость высыхает, силы ван-дер-Ваальса удерживают эти наночастицы на нужном месте.

"Эти силы вездесущи и часто могут быть вредными, когда дело доходит до изготовления наноразмерных объектов, поскольку они могут вызвать разрушение структур. Но мы в состоянии придумать способы очень точного управления этими силами, чтобы использовать их для управления тем, как управляются вещи на наноуровне", - говорит Чжу.

Они проектируют направляющие шаблона таким образом, чтобы они имели правильный размер и форму, а также точно подобранное расположение, чтобы силы работали вместе для размещения частиц. Затем наночастицы наносятся на поверхности без использования каких-либо растворителей, обработки поверхности или высоких температур. Это сохраняет первозданность поверхностей и их свойства нетронутыми, обеспечивая при этом выход более 95 процентов. Чтобы способствовать такому переносу, поверхностные силы должны быть спроектированы таким образом, чтобы силы ван-дер-Ваальса были достаточно сильными, чтобы последовательно способствовать высвобождению частиц из шаблона и прикреплению к принимающей поверхности при контакте.

Уникальные формы, разнообразные материалы, масштабируемая обработка

Команда использовала этот метод для придания наночастицам произвольной формы, например букв алфавита, а затем перенесла их на кремний с очень высокой точностью позиционирования. Метод также работает с наночастицами, которые имеют другие формы, такие как сферы, и с различными типами материалов. И он может эффективно переносить наночастицы на различные поверхности, такие как золото или даже гибкие подложки для электрических и оптических структур и устройств следующего поколения.

Их подход также масштабируем, поэтому его можно расширить и использовать для изготовления реальных устройств.

Нируи и ее коллеги сейчас работают над использованием этого подхода для создания еще более сложных структур и интеграции его с другими наноразмерными материалами для разработки новых типов электронных и оптических устройств.

Эта работа была частично поддержана Национальным научным фондом (NSF) и программой стипендий для аспирантов NSF.