Depuis le début de la civilisation, les humains ont exploité de nouveaux matériaux pour améliorer leur vie, de l'âge de pierre préhistorique, L'Âge de bronze, et de l'âge du fer à l'âge du silicium moderne. Avec chaque période sont venues des percées technologiques qui ont transformé notre façon de vivre. Considérez l'invention de 1961 de la puce de silicium, qui a ouvert la voie à la révolution numérique. Sans ce petit composant électronique, nous n'aurions pas d'ordinateurs portables ni de téléphones portables.

Relever les défis d'aujourd'hui nécessitera également des avancées matérielles. Par exemple, Comment fabriquer des panneaux solaires qui convertissent la lumière du soleil en électricité plus efficacement ? Des piles qui durent plus longtemps ? Des appareils électroniques toujours plus petits ? Les scientifiques cherchent des solutions à ces mêmes questions par le biais de la science et de l'ingénierie des matériaux. Ils améliorent à la fois les performances des matériaux existants et créent de tout nouveaux matériaux aux propriétés inégalées.

Durant la dernière décennie, les scientifiques du Center for Functional Nanomaterials (CFN) du Brookhaven National Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE) se sont imposés comme des chefs de file dans ce domaine. En particulier, ils développent une nouvelle méthode de fabrication des matériaux :la synthèse par infiltration.

Comme son nom l'indique, la synthèse par infiltration consiste à infiltrer, ou infusé, un matériau dans un autre. En infusant un matériau inorganique (ne contenant pas de carbone) dans un matériau organique (contenant du carbone), on peut générer un matériau "hybride" avec des propriétés que l'on ne voit dans aucun des composants de départ. Les espèces organiques pourraient être des films minces polymères, des polymères modelés selon une forme géométrique particulière à l'aide d'une source lumineuse ou d'un faisceau d'électrons (technique connue sous le nom de lithographie), polymères auto-assemblés à partir de deux ou plusieurs "blocs" chimiquement distincts (copolymère à blocs), ou même des structures d'ADN auto-assemblées. L'infiltration se produit lorsque la matrice organique est exposée à des précurseurs gazeux ou liquides contenant des substances inorganiques (matières premières) dans un ordre alterné.

En plaçant le matériau hybride sous plasma d'oxygène (un gaz chargé électriquement) ou dans un environnement d'oxygène à haute température, les scientifiques peuvent également éliminer sélectivement le composant organique. La partie inorganique reste en retrait et hérite du motif organique "gabarit", ce qui est utile pour créer des nanostructures inorganiques et les intégrer dans des appareils électroniques.

"Les approches conventionnelles basées sur la chimie pure comme la synthèse chimique sont complexes, " expliqua Chang-Yong Nam, un scientifique du groupe CFN sur les nanomatériaux électroniques qui dirige la recherche sur la synthèse par infiltration. « Il n'y a aucune garantie que vous obtiendrez les propriétés que vous avez ciblées. Et créer de très petites fonctionnalités - qui sont importantes pour la fabrication d'appareils électroniques - est difficile. La synthèse d'infiltration résout ces problèmes, et les outils requis sont facilement disponibles dans n'importe quelle installation de nanofabrication."

Nam, collègues du CFN, et des collaborateurs externes ont démontré comment la synthèse par infiltration peut être utilisée pour créer une multitude de nouveaux matériaux fonctionnels, permettant une grande variété d'applications.

En 2015, ils ont utilisé la synthèse par infiltration et la lithographie pour modeler des nanofils inorganiques - des structures en forme de fil d'une largeur de l'ordre du milliardième de mètre - dans un transistor. Cette étude a été la première à montrer que la technique pouvait être utilisée pour modéliser un appareil électronique. En prolongeant ce concept initial, ils ont transformé des réseaux de nanofils parfaitement alignés en photodétecteurs hautement sensibles de la lumière ultraviolette (UV). Pour augmenter encore la sensibilité, ils ont converti des motifs de copolymères séquencés auto-assemblés empilés en une architecture « nanomesh » 3D. La grande surface et les pores permis par cette géométrie en couches 3D ont permis le placement de beaucoup plus d'éléments de détection de nanofils.

Cette combinaison d'auto-assemblage de copolymères à blocs et de synthèse par infiltration a également permis diverses innovations par d'autres équipes de recherche du CFN. Par exemple, une équipe a utilisé la technique pour texturer la surface des cellules solaires en silicium avec des nanostructures en forme de cône. De minuscules structures similaires recouvrent les yeux des mites pour empêcher la réflexion de la lumière, et les scientifiques ont démontré cet effet antireflet dans les cellules solaires nanotexturées, ainsi que sur les surfaces en "verre invisible". Lorsque la lumière frappe une cellule solaire, vous voulez minimiser la réflexion (ou alternativement, maximiser l'absorption) afin que l'énergie solaire puisse être efficacement convertie en électricité. Et pour les écrans d'affichage sur ordinateurs, téléphones portables, et autres appareils électroniques, vous voulez éliminer la réflexion de la lumière pour éviter l'éblouissement.

Suite à ces études sur les matériaux inorganiques, les scientifiques ont commencé à explorer les propriétés des matériaux hybrides organiques-inorganiques également générés par la synthèse par infiltration. Par exemple, ils ont créé des « nanopiliers » hybrides présentant à la fois la haute résistance d'un métal et la faible rigidité de la mousse. Avec cette combinaison rare de propriétés mécaniques, le matériau peut stocker et libérer une quantité d'énergie élastique sans précédent, ce qui le rend utile pour les appareils nécessitant des ressorts ultra petits, leviers, ou des moteurs, tels que des accéléromètres, résonateurs, et des muscles artificiels biosynthétiques.

Les scientifiques ont également montré comment les hybrides peuvent servir de revêtements optiques qui reflètent des longueurs d'onde spécifiques de la lumière; capteurs d'oxygène et d'eau hautement sensibles ; photoresists pour transférer des caractéristiques ultrapetites dans du silicium pour la microélectronique de nouvelle génération ; revêtements complets sur des nanoparticules individuelles pour le marquage et le suivi des cellules en imagerie biologique ; et des agents de contraste pour visualiser la géométrie complexe des copolymères blocs 3D.

"Ce qui est étonnant avec la synthèse par infiltration, c'est la possibilité d'accord, " a déclaré Kevin Yager, leader du groupe CFN sur les nanomatériaux électroniques. « Vous pouvez définir très précisément les propriétés du matériau souhaitées en sélectionnant le bon infiltrant et le bon niveau de charge. Cela vous permet de cibler une grande variété d'applications et d'optimiser le matériau pour chaque tâche spécifique. »

Plus récemment, les scientifiques ont étudié la pertinence de leurs résines hybrides pour la lithographie UV extrême (EUV). Les entreprises de technologie des semi-conducteurs utilisent cette technique émergente pour réduire les transistors - les éléments constitutifs des composants électroniques tels que les unités centrales de traitement (CPU) et la mémoire vive (RAM) - en dessous de cinq nanomètres. La réduction des dimensions des caractéristiques permettra la fabrication de dispositifs électroniques avec des vitesses de traitement accrues et une consommation d'énergie réduite. Malgré la promesse de la lithographie EUV, plusieurs défis demeurent, y compris le besoin de résistances à haute sensibilité.

"La lithographie EUV nécessite des résines capables d'absorber une grande quantité de lumière EUV, et les matières organiques n'ont généralement pas cette capacité, " a expliqué Nam. " L'infiltration d'une espèce inorganique dans le composant organique peut améliorer la capacité d'absorption. "

Bien que de nombreux groupes développent maintenant des technologies de résistance, une compréhension fondamentale de la chimie d'infiltration et du processus d'exposition à l'EUV dans les résines fait défaut. Nam et son équipe ont commencé à étudier ce mécanisme dans leurs réserves hybrides par lithographie par faisceau d'électrons et microscopie électronique à basse énergie au CFN et par spectroscopie de diffusion et d'absorption des rayons X aux interfaces de matière molle (SMI) et de spectroscopie douce et tendre (STT ) les lignes de lumière de la source lumineuse synchrotron nationale II de Brookhaven. They are also exploring the EUV exposure characteristics and patterning performance of the hybrid resists at the Microfield Exposure Tool (MET) beamline—a private EUV beamline sponsored by leading semiconductor companies, including Intel Corporation and Samsung Electronics—of Lawrence Berkeley National Lab's Advanced Light Source. Their preliminary results provided important feedback on how to optimize the infiltration chemistry and method for enhanced EUV sensitivity.

The team is also making a hybrid-based neuromorphic switching device, which models the way the brain computes and transmits information. In initial demonstrations, their hybrid structure showed potential in mimicking the action of brain synapses, or the connections between neurons. They also found that the hybridization significantly reduced device-to-device performance variability, which is critical for creating practical, large-scale neuromorphic device arrays. Such brain-inspired computing would offer significant leaps in energy efficiency and processing speed for artificial intelligence tasks such as learning, searching, et sentir.

"Avancer, there's still a lot we can do with infiltration synthesis, " said Nam. "We're excited to continue exploring its diverse applications for next-generation micro- and nanoelectronics and energy technologies, with the hope of contributing to the transformation of our future society."