Investigadores del MIT han desarrollado una técnica para controlar con precisión la ubicación y ubicación de nanopartículas en materiales como el silicio que se usa en chips de computadora sin dañar ni contaminar la superficie del material.
Combinando procesos de ensamblaje químico y dirigido con técnicas de fabricación convencionales, esta tecnología permite la formación eficiente de características a nanoescala de alta resolución integradas con nanopartículas para dispositivos como sensores, láseres y LED, que pueden mejorar su rendimiento.
Los transistores y otros dispositivos a nanoescala generalmente se fabrican de arriba hacia abajo. El material se graba para alcanzar la disposición deseada de las nanoestructuras. Sin embargo, la creación de las nanoestructuras más pequeñas que permiten el mayor rendimiento y la nueva funcionalidad requiere un equipo costoso y sigue siendo difícil de hacer a gran escala y con resoluciones deseables.
Un método más preciso para ensamblar dispositivos a nanoescala es de abajo hacia arriba. En un esquema, los ingenieros utilizaron la química para “crecer” nanopartículas en solución, colocar la solución en una plantilla, colocar las nanopartículas y transferirlas a una superficie. Sin embargo, este enfoque también presenta desafíos importantes. Primero, miles de nanopartículas deben colocarse de manera eficiente en la plantilla. Además, transferirlos a una superficie generalmente requiere adhesivos químicos, mucha presión o altas temperaturas, que pueden dañar la superficie y el dispositivo resultante.
Investigadores del MIT han desarrollado un nuevo enfoque para superar estas limitaciones. Aprovecharon las poderosas fuerzas presentes en la nanoescala para organizar de manera eficiente las partículas en los patrones deseados y las transfirieron a superficies a bajas temperaturas sin el uso de productos químicos o alta presión. Debido a que los materiales de la superficie permanecen intactos, estas estructuras a nanoescala se pueden incorporar en componentes de dispositivos electrónicos y ópticos donde incluso los defectos más pequeños pueden interferir con su desempeño.
“Con este enfoque, a través de la ingeniería de fuerza, las nanopartículas se pueden colocar en una variedad de superficies en configuraciones deterministas con resolución de una sola partícula y con propiedades únicas, a pesar de su tamaño extremadamente pequeño. Nos permite crear una biblioteca de bloques de construcción a nanoescala que se pueden utilizar: sus interacciones luz-materia, sus propiedades electrónicas, su rendimiento mecánico, etc.”, dijo un EE en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) en el MIT. Farnaz Niroui, Profesor Asistente de Desarrollo de Carrera en Landsman y miembro del Instituto de Electrónica del MIT, dijo. , y autor principal de un nuevo artículo que describe el trabajo. “Al integrar estos bloques de construcción con otras nanoestructuras y materiales, podemos crear dispositivos con una funcionalidad única que no se puede lograr fácilmente utilizando solo las estrategias tradicionales de fabricación de arriba hacia abajo”.
Esta investigación progreso cientificoLos coautores de Niroui son el autor principal Weikun “Spencer” Zhu, así como los estudiantes graduados de ingeniería química, los estudiantes graduados de EECS Peter F. Satterthwaite, Patricia Jastrzebska-Perfect y Roberto Brenes.
Usar la fuerza
Para iniciar un método de fabricación conocido como impresión por contacto de nanopartículas, los investigadores utilizan la química para crear nanopartículas de tamaño y forma definidos en solución. A simple vista, esto parece un vial de líquido coloreado, pero la ampliación con un microscopio electrónico revela millones de cubos, cada uno de solo 50 nanómetros de tamaño. (Un cabello humano tiene unos 80.000 nanómetros de ancho).
Luego, los investigadores crean una plantilla en forma de superficie flexible cubierta con guías o trampas del tamaño de nanopartículas dispuestas en la forma que las nanopartículas quieren tomar. Después de agregar una gota de solución de nanopartículas a la plantilla, se utilizan dos fuerzas a nanoescala para mover las partículas a la posición correcta. Las nanopartículas se transfieren a cualquier superficie.
Diferentes fuerzas se vuelven dominantes en la nanoescala (al igual que la gravedad es la fuerza dominante en la macroescala). Las fuerzas capilares dominan cuando las nanopartículas están en un líquido, y las fuerzas de van der Waals dominan en la interfaz entre las nanopartículas y la superficie sólida con la que están en contacto. Cuando los investigadores agregan una gota de líquido y la arrastran sobre la plantilla, las fuerzas capilares mueven las nanopartículas a las trampas deseadas, colocándolas exactamente en el lugar correcto. Cuando el líquido se seca, las fuerzas de van der Waals mantienen las nanopartículas en su lugar.
“Estas fuerzas son omnipresentes y, a menudo, pueden ser perjudiciales cuando se trata de fabricar objetos a nanoescala porque pueden causar un colapso estructural. Se controla con precisión y la forma en que controlas las cosas funcionan a nanoescala”, dice Zhu.
Diseñan las guías de la plantilla para que tengan el tamaño y la forma correctos y con precisión la ubicación correcta para que las fuerzas trabajen juntas para colocar las partículas. Las nanopartículas se imprimen en superficies sin necesidad de solventes, tratamientos superficiales o altas temperaturas. Esto mantiene la superficie prístina y las propiedades intactas al mismo tiempo que permite rendimientos de más del 95 %. Para facilitar esta transferencia, las fuerzas de la superficie deben ser lo suficientemente fuertes para promover consistentemente que las partículas sean expulsadas de la plantilla y se adhieran a la superficie receptora al contacto.
Formas únicas, diversos materiales, procesamiento escalable
El equipo usó esta técnica para colocar nanopartículas en formas arbitrarias, como letras del alfabeto, y transferirlas a silicio con una precisión posicional muy alta. Este método también funciona con nanopartículas de otras formas, como esferas, y con diferentes tipos de materiales. También podemos transferir nanopartículas de manera efectiva a una variedad de superficies, que incluyen oro y sustratos flexibles para estructuras y dispositivos eléctricos y ópticos de próxima generación.
Su enfoque también es escalable, por lo que puede extenderse para su uso en la fabricación de dispositivos reales.
Niroui y sus colegas ahora están trabajando para aprovechar este enfoque para crear estructuras aún más complejas e integrarlas con otros materiales a nanoescala para desarrollar nuevos tipos de dispositivos electrónicos y ópticos.
Este trabajo fue apoyado, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y el Programa de Becas de Investigación para Graduados de la NSF.