Le physicien de Brookhaven Aaron Stein, auteur principal de l'étude, est dans la salle blanche du Center for Functional Nanomaterials (CFN) du Brookhaven National Laboratory. Stein et ses co-auteurs ont utilisé le graveur de lithographie par faisceau d'électrons en arrière-plan pour graver des modèles qui pilotent l'auto-assemblage de copolymères séquencés de manière contrôlable avec précision. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Pour continuer à avancer, les appareils électroniques de nouvelle génération doivent exploiter pleinement l'échelle nanométrique, où les matériaux ne couvrent que des milliardièmes de mètre. Mais équilibrer la complexité, précision, et l'évolutivité de la fabrication à des échelles aussi fantastiquement petites est inévitablement difficile. Heureusement, certains nanomatériaux peuvent être amenés à s'emboîter dans les formations souhaitées - un processus appelé auto-assemblage.
Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) viennent de mettre au point un moyen de diriger l'auto-assemblage de plusieurs modèles moléculaires au sein d'un seul matériau, produire de nouvelles architectures nanométriques. Les résultats ont été publiés dans la revue Communication Nature .
"Il s'agit d'un saut conceptuel significatif dans l'auto-assemblage, " a déclaré Aaron Stein, physicien du Brookhaven Lab, auteur principal de l'étude. "Autrefois, nous étions limités à un seul modèle émergent, mais cette technique brise cette barrière avec une relative facilité. Ceci est important pour la recherche fondamentale, certainement, mais cela pourrait aussi changer la façon dont nous concevons et fabriquons l'électronique."
Micropuces, par exemple, utiliser des modèles méticuleusement modelés pour produire les structures à l'échelle nanométrique qui traitent et stockent les informations. Grâce à l'auto-assemblage, cependant, ces structures peuvent se former spontanément sans cette structuration préliminaire exhaustive. Et maintenant, l'auto-assemblage peut générer plusieurs motifs distincts, ce qui augmente considérablement la complexité des nanostructures qui peuvent être formées en une seule étape.
"Cette technique s'intègre assez facilement dans les workflows de fabrication de micropuces existants, " a déclaré le co-auteur de l'étude Kevin Yager, également un physicien de Brookhaven. "C'est passionnant de faire une découverte fondamentale qui pourrait un jour se retrouver dans nos ordinateurs."
Le travail expérimental a été entièrement mené au Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation utilisateur du DOE Office of Science, en tirant parti de l'expertise et de l'instrumentation internes.
La lithographie par faisceau d'électrons est utilisée pour ajuster l'espacement et l'épaisseur des motifs de lignes gravés sur un gabarit (couche inférieure). Ces motifs entraînent un copolymère à blocs auto-assemblant (couche supérieure) pour former localement différents types de motifs, selon le modèle sous-jacent. Ainsi, un seul matériau peut être amené à former des nanomotifs distincts par exemple, lignes ou points à proximité immédiate. Ces matériaux à configuration mixte pourraient conduire à de nouvelles applications en microélectronique. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Cuisiner la complexité organisée
La collaboration a utilisé des copolymères à blocs - des chaînes de deux molécules distinctes liées entre elles - en raison de leur capacité intrinsèque à s'auto-assembler.
"Aussi puissant que soit l'auto-assemblage, nous soupçonnions que guider le processus l'améliorerait pour créer un auto-assemblage vraiment « réactif », ", a déclaré le co-auteur de l'étude Greg Doerk de Brookhaven. "C'est exactement là où nous l'avons poussé."
Pour guider l'auto-assemblage, les scientifiques créent des modèles de substrat précis mais simples. À l'aide d'une méthode appelée lithographie par faisceau d'électrons, la spécialité de Stein, ils gravent des motifs des milliers de fois plus fins qu'un cheveu humain sur la surface du gabarit. Ils ajoutent ensuite une solution contenant un ensemble de copolymères à blocs sur le gabarit, faire tourner le substrat pour créer un revêtement mince, et "cuire" le tout dans un four pour lancer les molécules en formation. L'énergie thermique entraîne l'interaction entre les copolymères séquencés et le modèle, définir la configuration finale - dans ce cas, lignes ou points parallèles dans une grille.
"En auto-assemblage classique, les nanostructures finales suivent les lignes directrices du gabarit, mais sont d'un seul type de modèle, " Stein a dit. "Mais tout cela a juste changé."
Les chercheurs du Brookhaven National Laboratory Center for Functional Nanomaterials, Gwen Wright et Aaron Stein, sont à l'atelier de lithographie par faisceau d'électrons dans la salle blanche du CFN. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Lignes et points, vivre ensemble
La collaboration avait précédemment découvert que le mélange de différents copolymères séquencés permettait de multiples, des nanostructures de lignes et de points coexistantes à former.
"Nous avions découvert un phénomène passionnant, mais ne pouvait pas sélectionner quelle morphologie émergerait, ", a déclaré Yager. Mais ensuite, l'équipe a découvert que le fait de peaufiner le substrat modifiait les structures qui émergaient. En ajustant simplement l'espacement et l'épaisseur des motifs de lignes lithographiques - faciles à fabriquer à l'aide d'outils modernes - les blocs d'auto-assemblage peuvent être convertis localement en ultra -des lignes fines, ou des matrices à haute densité de nano-points.
« Nous avons réalisé que la combinaison de nos matériaux d'auto-assemblage avec des guides nanofabriqués nous donnait ce contrôle insaisissable. Et, bien sûr, these new geometries are achieved on an incredibly small scale, " said Yager.
« En substance, " dit Stein, "we've created 'smart' templates for nanomaterial self-assembly. How far we can push the technique remains to be seen, but it opens some very promising pathways."
Gwen Wright, another CFN coauthor, added, "Many nano-fabrication labs should be able to do this tomorrow with their in-house tools-the trick was discovering it was even possible."
The scientists plan to increase the sophistication of the process, using more complex materials in order to move toward more device-like architectures.
"The ongoing and open collaboration within the CFN made this possible, " said Charles Black, director of the CFN. "We had experts in self-assembly, electron beam lithography, and even electron microscopy to characterize the materials, all under one roof, all pushing the limits of nanoscience."
