Depuis les années 1960, les puces informatiques ont été construites à l'aide d'un processus appelé photolithographie. Mais au cours des cinq dernières années, les caractéristiques de la puce sont devenues plus petites que la longueur d'onde de la lumière, ce qui a nécessité quelques modifications ingénieuses des procédés photolithographiques. Maintenir le rythme de miniaturisation des circuits auquel nous nous attendons, comme le prédit la loi de Moore, nécessitera à terme de nouvelles techniques de fabrication.

Copolymères à blocs, molécules qui s'auto-assemblent spontanément en formes utiles, sont une alternative prometteuse à la photolithographie. Dans un nouvel article de la revue Communication Nature , Des chercheurs du MIT décrivent la première technique pour empiler des couches de fils de copolymères séquencés de telle sorte que les fils d'une couche s'orientent naturellement perpendiculairement à ceux de la couche inférieure.

La capacité de produire facilement de telles "structures de maillage" pourrait faire de l'auto-assemblage un moyen beaucoup plus pratique de fabriquer de la mémoire, puces optiques, et même les futures générations de processeurs informatiques.

"Il y a des travaux antérieurs sur la fabrication d'une structure en treillis - par exemple notre travail, " dit Amir Tavakkoli, un post-doctorant au Laboratoire de recherche en électronique du MIT et l'un des trois premiers auteurs du nouvel article. "Nous avons utilisé des poteaux que nous avions fabriqués par lithographie par faisceau d'électrons, ce qui prend du temps. Mais ici, nous n'utilisons pas la lithographie par faisceau d'électrons. Nous utilisons la première couche de copolymère séquencé comme modèle pour auto-assembler une autre couche de copolymère séquencé par-dessus."

Les co-premiers auteurs de Tavakkoli sur le papier sont Sam Nicaise, un étudiant diplômé en génie électrique, et Karim Gadelrab, un étudiant diplômé en science et génie des matériaux. Les auteurs principaux sont Alfredo Alexander-Katz, le professeur agrégé Walter Henry Gale de science et génie des matériaux; Caroline Ross, le professeur Toyota de science et d'ingénierie des matériaux; et Karl Berggren, un professeur de génie électrique.

Couples malheureux

Les polymères sont de longues molécules constituées d'unités moléculaires de base enchaînées en chaînes. Les plastiques sont des polymères, tout comme les molécules biologiques comme l'ADN et les protéines. Un copolymère est un polymère obtenu en joignant deux polymères différents.

Dans un copolymère séquencé, les polymères constitutifs sont choisis de manière à être chimiquement incompatibles entre eux. Ce sont leurs tentatives de s'éloigner les uns des autres, à la fois au sein d'une seule chaîne polymère et à l'intérieur d'un film polymère, qui les poussent à s'auto-organiser.

Dans le cas des chercheurs du MIT, l'un des polymères constitutifs est à base de carbone, l'autre à base de silicium. Dans leurs efforts pour échapper au polymère à base de carbone, les polymères à base de silicium se replient sur eux-mêmes, formant des cylindres avec des boucles de polymère à base de silicium à l'intérieur et l'autre polymère hérissé à l'extérieur. Lorsque les cylindres sont exposés à un plasma d'oxygène, le polymère carboné brûle et le silicium s'oxyde, laissant des cylindres en verre attachés à une base.

Pour assembler une deuxième couche de cylindres, les chercheurs répètent simplement le processus, bien qu'en utilisant des copolymères avec des longueurs de chaîne légèrement différentes. Les cylindres de la nouvelle couche s'orientent naturellement perpendiculairement à ceux de la première.

Le traitement chimique de la surface sur laquelle le premier groupe de cylindres est formé les amènera à s'aligner en rangées parallèles. Dans ce cas, la deuxième couche de cylindres formera également des rangées parallèles, perpendiculaires à celles du premier.

Mais si les cylindres de la couche inférieure peuvent se former au hasard, se faufiler dans l'élaboration, motifs en boucle, les cylindres de la deuxième couche conserveront leur orientation relative, créant leur propre élaboré, mais perpendiculaire, motifs.

La structure maillée ordonnée est celle qui a les applications les plus évidentes, mais le désordonné est peut-être l'exploit technique le plus impressionnant. "C'est celui qui enthousiasme les scientifiques des matériaux, " dit Nicaise.

Pourquoi et pourquoi

Les fils de type verre ne sont pas directement utiles pour les applications électroniques, mais il serait peut-être possible de les semer avec d'autres types de molécules, ce qui les rendrait électroniquement actifs, ou de les utiliser comme modèle pour déposer d'autres matériaux. Les chercheurs espèrent pouvoir reproduire leurs résultats avec des polymères plus fonctionnels. À cette fin, ils devaient caractériser théoriquement le processus qui a donné leurs résultats. "Nous utilisons des simulations informatiques pour comprendre les paramètres clés contrôlant l'orientation du polymère, " dit Gadelrab.

Ce qu'ils ont découvert, c'est que la géométrie des cylindres de la couche inférieure limitait les orientations possibles des cylindres de la couche supérieure. Si les parois des cylindres inférieurs sont trop raides pour permettre aux cylindres supérieurs de s'adapter confortablement, les cylindres supérieurs essaieront de trouver une orientation différente.

Il est également important que les couches supérieure et inférieure n'aient que de faibles interactions chimiques. Autrement, les cylindres supérieurs essaieront de s'empiler sur les cylindres inférieurs comme des bûches sur une pile.

Ces deux propriétés (géométrie du cylindre et interaction chimique) peuvent être prédites à partir de la physique des molécules de polymère. Il devrait donc être possible d'identifier d'autres polymères qui présenteront le même comportement.

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.