Cette image au microscope à force atomique montre l'auto-assemblage dirigé d'une ligne imprimée de copolymère séquencé sur un gabarit préparé par photolithographie. L'image a été colorée et mise à l'échelle par le logiciel du microscope. La densité de motifs dans le gabarit (délimité par les traits fins) est deux fois celle des structures auto-assemblées (les rubans). Crédit :Serdar Onses/UIUC
Une équipe multi-institutionnelle d'ingénieurs a développé une nouvelle approche de la fabrication de nanostructures pour les industries des semi-conducteurs et du stockage magnétique. Cette approche combine une technologie d'impression à jet d'encre avancée descendante avec une approche ascendante qui implique l'auto-assemblage de copolymères séquencés, un type de matériau qui peut former spontanément des structures ultrafines.
L'équipe, composé de neuf chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, l'Université de Chicago et l'Université Hanyang en Corée, a pu augmenter la résolution de la fabrication de leur structure complexe d'environ 200 nanomètres à environ 15 nanomètres. Un nanomètre est un milliardième de mètre, la largeur d'une molécule d'ADN double brin.
La capacité de fabriquer des nanostructures à partir de polymères, ADN, protéines et autres matériaux « mous » a le potentiel de permettre de nouvelles classes d'électronique, dispositifs de diagnostic et capteurs chimiques. Le défi est que bon nombre de ces matériaux sont fondamentalement incompatibles avec les types de techniques lithographiques traditionnellement utilisées dans l'industrie des circuits intégrés.
Les techniques d'impression à jet d'encre ultra-haute résolution récemment développées ont un certain potentiel, avec une résolution démontrée jusqu'à 100-200 nanomètres, mais il existe des défis importants pour atteindre une véritable dimension nanométrique. "Notre travail démontre que les procédés d'auto-assemblage de polymères peuvent fournir un moyen de contourner cette limitation, " a déclaré John Rogers, le professeur titulaire de la chaire Swanlund en science et génie des matériaux à l'Illinois.
Rogers et ses associés rapportent leurs conclusions dans le numéro de septembre de Nature Nanotechnologie . La combinaison de l'impression par jet avec des copolymères blocs auto-assemblants a permis aux ingénieurs d'atteindre une résolution beaucoup plus élevée, comme suggéré par l'auteur principal Serdar Onses, chercheur postdoctoral à l'Illinois. Onses a obtenu son doctorat à l'Université du Wisconsin sous la direction de Paul Nealey, maintenant professeur Brady W. Dougan en ingénierie moléculaire à UChicago et co-auteur de l'article Nature Nanotechnology. "Ce concept s'est avéré très utile, ", a déclaré Rogers.
Les ingénieurs utilisent des matériaux d'auto-assemblage pour augmenter les processus photolithographiques traditionnels qui génèrent des motifs pour de nombreuses applications technologiques. Ils créent d'abord un motif topographique ou chimique à l'aide de procédés traditionnels. Pour l'article de Nature Nanotechnology, cela a été fait chez imec en Belgique, un centre de recherche indépendant en nanoélectronique. Le laboratoire de Nealey a été le pionnier de ce processus d'auto-assemblage dirigé de copolymères séquencés à l'aide de nanomodèles chimiques.
Les chercheurs ont peint cette image de papillon faite de films de copolymère séquencé à l'aide d'une impression e-jet (impression par jet électrohydrodynamique). Le film se compose de composants imprimés de manière complexe de deux poids moléculaires différents, qui affichent différentes tailles et espacements à l'échelle de la dizaine de nanomètres (un milliardième de mètre). Le papillon à son plus grand diamètre au bout des ailes mesure environ 250 microns, la largeur de quelques cheveux humains assis confortablement côte à côte. Crédit :Serdar Onses/UIUC
Près des limites
La résolution du motif chimique se rapproche de la limite actuelle de la photolithographie traditionnelle, a noté Lance Williamson, un étudiant diplômé en ingénierie moléculaire à UChicago et co-auteur de l'article Nature Nanotechnology. "Imec a la capacité d'effectuer la photolithographie à cette échelle sur de grandes surfaces avec une grande précision, ", a déclaré Williamson.
De retour à l'Université de l'Illinois, les ingénieurs placent un copolymère séquencé au sommet de ce motif. Le copolymère à blocs s'auto-organise, dirigé par le modèle sous-jacent pour former des motifs qui sont à une résolution beaucoup plus élevée que le modèle lui-même.
Des travaux antérieurs ont porté sur le dépôt et l'assemblage de films uniformes sur chaque plaquette ou substrat, résultant en des motifs avec essentiellement une seule taille de fonction caractéristique et un seul espacement entre les fonctions. Mais les applications pratiques peuvent nécessiter des copolymères séquencés de dimensions multiples modelés ou placés spatialement sur une plaquette.
« Cette invention, utiliser l'impression à jet d'encre pour déposer différents films de copolymères blocs à haute résolution spatiale sur le substrat, est très utile en termes de conception et de fabrication d'appareils en ce sens que vous pouvez réaliser différentes structures de dimensions en une seule couche, " Nealey a dit. " De plus, les différents modèles de dimensions peuvent en fait être dirigés pour s'assembler avec des modèles identiques ou différents dans différentes régions."
Un technicien est assis à un système de voie à imec Belgique, un centre de recherche indépendant en nanoélectronique et microélectronique. Le système enrobe, cuit et développe des films polymères minces sur des plaquettes de silicium, qui sont des étapes critiques dans la fabrication d'échantillons que l'imec fournit au groupe de recherche de Paul Nealey à l'Institute for Molecular Engineering de l'Université de Chicago. Crédit :Copyright imec
Avantages de l'impression e-jet
La forme avancée d'impression à jet d'encre que les ingénieurs utilisent pour déposer localement des copolymères à blocs est appelée électrohydrodynamique, ou impression e-jet. Il fonctionne un peu comme les imprimantes à jet d'encre que les employés de bureau utilisent pour imprimer sur papier. "L'idée est un flux de matériaux à partir de petites ouvertures, sauf que e-jet est une spéciale, version haute résolution des imprimantes à jet d'encre pouvant imprimer des caractéristiques jusqu'à plusieurs centaines de nanomètres, " a déclaré Onses. Et parce que e-jet peut naturellement gérer les encres fluides, il est exceptionnellement bien adapté pour modeler des suspensions de solution de nanotubes, nanocristaux, nanofils et autres types de nanomatériaux.
« L'aspect le plus intéressant de ce travail est la capacité de combiner des techniques « top down » d'impression par jet avec des processus « bottom up » d'auto-assemblage, d'une manière qui ouvre de nouvelles capacités en lithographie, applicables aux matériaux mous et durs, ", a déclaré Rogers.
"Les opportunités consistent à former des structures à motifs de nanomatériaux pour permettre leur intégration dans des dispositifs réels. Je suis optimiste quant aux possibilités."
