Des chercheurs du MIT ont trouvé une nouvelle façon de fabriquer des structures tridimensionnelles complexes en utilisant des matériaux polymères auto-assemblants qui forment de minuscules fils et jonctions. Le travail a le potentiel d'inaugurer une nouvelle génération de micropuces et d'autres dispositifs composés de caractéristiques submicroscopiques.

Bien que des structures d'auto-assemblage similaires avec des fils très fins aient été produites auparavant, c'est la première fois que les structures ont été étendues en trois dimensions avec différentes, configurations indépendantes sur différentes couches, disent les chercheurs. La recherche est publiée cette semaine dans la revue Science .

Caroline Ross, le professeur Toyota de science et d'ingénierie des matériaux au MIT, dit qu'il y a eu "beaucoup d'intérêt" parmi les chercheurs en semi-conducteurs pour trouver des moyens de produire des caractéristiques de puce qui sont beaucoup plus étroites que la longueur d'onde de la lumière - et donc plus étroites que ce qui peut être réalisé en utilisant les systèmes de fabrication actuels basés sur la lumière. L'auto-assemblage à base de polymères a été un domaine de recherche actif, Ross dit, mais « ce que nous avons fait dans cet article a été de le pousser dans la troisième dimension. »

Elle et ses collègues ont commencé par créer un réseau de minuscules poteaux sur un substrat de silicium; ils ont ensuite enduit la surface de matériaux appelés copolymères à blocs, qui ont une tendance naturelle à s'assembler en de longues structures cylindriques. En contrôlant soigneusement l'espacement initial des poteaux, Ross explique, les chercheurs ont pu définir l'espacement, angles, coudes et jonctions des cylindres qui se forment à la surface. Qui plus est, elle dit, « Chacune des deux couches de cylindres peut être contrôlée indépendamment à l'aide de ces poteaux, ” permettant de créer des configurations 3D complexes.

Amir Tavakkoli, un étudiant diplômé invité de l'Université nationale de Singapour et auteur principal du Science papier, dit que de nombreux chercheurs ont essayé de produire des arrangements complexes de fils nanométriques par auto-assemblage. Mais les tentatives précédentes utilisaient des processus complexes avec de nombreuses étapes, et n'avait pas réussi à bien contrôler les configurations résultantes. Le nouveau système est plus simple, Tavakkoli dit, et "non seulement contrôlé l'alignement des fils, mais a montré que nous pouvons même avoir des virages serrés et des jonctions » à des endroits déterminés avec précision.

"On ne s'attendait pas à ce que ce soit possible, », déclare Kevin Gotrik, étudiant diplômé du MIT. « C'était un résultat surprenant. Nous sommes tombés dessus, puis j'ai dû comprendre comment cela fonctionnait.

Il y avait un certain nombre d'obstacles à surmonter pour rendre le système pratique, dit Gotrik. Par exemple, les poteaux fabriqués en surface sont la clé de la maîtrise de l'ensemble du processus d'auto-assemblage, mais ils doivent être un peu plus hauts que larges, ce qui pourrait en faire basculer certains; l'équipe du MIT a finalement trouvé des matériaux et des formes stables. « Nous avons exploré un large éventail de conditions, ", dit Gotrik.

L'étudiant diplômé Adam Hannon dit que l'équipe a utilisé des simulations informatiques des structures afin d'explorer les effets de différentes configurations de poste sur la structure 3-D à double couche. Ces simulations ont été comparées aux structures les plus prometteuses observées en laboratoire pour mieux comprendre comment contrôler les structures résultantes qui se sont formées.

Jusque là, l'équipe du MIT n'a réalisé que des configurations à deux couches, mais Alfredo Alexander-Katz, professeur assistant en science et ingénierie des matériaux, dit, "Je pense qu'il serait possible d'aller à trois couches" tout en gardant un contrôle total sur la disposition des structures sur chaque couche.

Une technologie habilitante clé était la capacité du laboratoire du MIT, par lithographie par faisceau d'électrons, pour faire des poteaux cylindriques de 10 nanomètres de large avec un positionnement contrôlé avec précision. Ces postes, à son tour, guider le positionnement des cylindres auto-assembleurs. Karl Berggren, professeur agrégé de génie électrique, dit que c'est comme si la lithographie posait une série de piliers, et ces piliers contrôlent alors le complexe, routage à plusieurs niveaux des autoroutes qui sillonnent.

Dans des travaux antérieurs, les chercheurs du MIT avaient démontré que cette méthode d'auto-assemblage pouvait être utilisée pour créer des fils beaucoup plus fins que ceux qui peuvent être fabriqués par les techniques de photolithographie existantes pour produire des micropuces - et ainsi ouvrir la voie à des appareils de nouvelle génération qui emballent encore plus des fils et des transistors dans une zone donnée de matériau de puce de silicium. « En principe, c'est évolutif à des dimensions assez petites, " Ross dit, bien plus petit que la largeur de 15 nanomètres des cylindres produits jusqu'à présent - ce qui est déjà moins de la moitié de la largeur des fils les plus fins dans les micropuces existantes.

Les technologies de base impliquées sont compatibles avec les équipements de fabrication existants dans l'industrie des semi-conducteurs, disent les chercheurs. Mais il s'agit d'une recherche fondamentale qui est probablement encore loin de la production réelle de puces, ils mettent en garde. Au cours de la prochaine année, l'équipe espère utiliser cette méthodologie pour produire un dispositif électronique simple.

La technique ne se limite pas à la réalisation de fils sur puce de silicium, Ross et ses collègues disent. La même méthode pourrait être utilisée pour créer des matrices 3-D d'autres types de matériaux - tels que des protéines ou des molécules d'ADN, par exemple — afin de créer des détecteurs biologiques ou des systèmes d'administration de médicaments.

Craig Hawker, professeur de chimie et de biochimie à l'Université de Californie à Santa Barbara, dit qu'il s'agit d'une « constatation de grande envergure, » qui « contribue grandement à répondre aux exigences de la feuille de route technologique internationale pour les semi-conducteurs, qui demande une robustesse, technique de nanopatterning commercialement viable.

Hawker ajoute, « La robustesse et la puissance de cette approche peuvent également conduire à des applications hors lithographie et microélectronique, avec un impact sur la purification de l'eau, membranes et photovoltaïques organiques. » Il dit que ce travail est « un exemple spectaculaire de travail multidisciplinaire, avec les progrès de la chimie, la physique et la nanotechnologie se sont combinées de manière transparente pour résoudre un problème technologique critique et sociétal important. »

Le travail a été soutenu par la Semiconductor Research Corporation, le Centre FENA, l'Initiative de recherche en nanoélectronique, l'Alliance Singapour-MIT, la Fondation nationale des sciences, Société de fabrication de semi-conducteurs de Tokyo Electron et de Taiwan.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.