Percée dans l'électronique à auto-assemblage :des chercheurs présentent la fabrication de nouveaux appareils

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Les modèles fabriqués par D-Met produisent des composants destinés à une utilisation potentielle dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS). (Image :Julia Chang)

Les chercheurs ont démontré une nouvelle technique d’auto-assemblage d’appareils électroniques. Le travail de validation de principe a été utilisé pour créer des diodes et des transistors et ouvre la voie à l'auto-assemblage de dispositifs électroniques plus complexes sans recourir aux techniques de fabrication de puces informatiques existantes.

"Les techniques de fabrication de puces existantes impliquent de nombreuses étapes et reposent sur des technologies extrêmement complexes, ce qui rend le processus coûteux et long", a déclaré Martin Thuo, auteur correspondant d'un article sur le travail et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'État de Caroline du Nord. "Notre approche d'auto-assemblage est nettement plus rapide et moins coûteuse. Nous avons également démontré que nous pouvons utiliser le processus pour régler la bande interdite des matériaux semi-conducteurs et rendre les matériaux sensibles à la lumière, ce qui signifie que cette technique peut être utilisée pour créer des dispositifs optoélectroniques.

« De plus, les techniques de fabrication actuelles ont un faible rendement, ce qui signifie qu’elles produisent un nombre relativement important de puces défectueuses qui ne peuvent pas être utilisées. Notre approche est axée sur un rendement élevé, ce qui signifie que vous obtenez une production de matrices plus cohérente et moins de déchets. »

Thuo appelle la nouvelle technique d'auto-assemblage une réaction métal-ligand dirigée (D-Met). Vous commencez avec des particules de métal liquide. Pour leurs travaux de validation de principe, les chercheurs ont utilisé le métal de Field, qui est un alliage d’indium, de bismuth et d’étain. Les particules de métal liquide sont placées à côté d’un moule, qui peut être réalisé selon n’importe quelle taille ou motif. Une solution est ensuite versée sur le métal liquide. La solution contient des molécules appelées ligands constituées de carbone et d’oxygène. Ces ligands récoltent les ions de la surface du métal liquide et retiennent ces ions selon un motif géométrique spécifique. La solution s'écoule à travers les particules de métal liquide et est aspirée dans le moule.

Au fur et à mesure que la solution s'écoule dans le moule, les ligands porteurs d'ions commencent à s'assembler en structures tridimensionnelles plus complexes. Pendant ce temps, la partie liquide de la solution commence à s'évaporer, ce qui sert à regrouper les structures complexes de plus en plus étroitement les unes dans les autres.

"Sans moisissure, ces structures peuvent former des motifs quelque peu chaotiques", a déclaré Thuo. "Mais comme la solution est contrainte par le moule, les structures se forment en réseaux prévisibles et symétriques."

Une fois qu’une structure a atteint la taille souhaitée, le moule est retiré et le réseau est chauffé. Cette chaleur brise les ligands, libérant les atomes de carbone et d'oxygène. Les ions métalliques interagissent avec l’oxygène pour former des oxydes métalliques semi-conducteurs, tandis que les atomes de carbone forment des feuilles de graphène. Ces ingrédients s’assemblent dans une structure bien ordonnée constituée de molécules d’oxyde métallique semi-conducteur enveloppées dans des feuilles de graphène. Les chercheurs ont utilisé cette technique pour créer des transistors et des diodes à l'échelle nanométrique et micrométrique.

“The graphene sheets can be used to tune the bandgap of the semiconductors, making the semiconductor more or less responsive, depending on the quality of the graphene,” said Julia Chang, first author of the paper and a postdoctoral researcher at NC State. De plus, comme les chercheurs ont utilisé du bismuth dans les travaux de validation de principe, ils ont pu créer des structures photosensibles. Cela permet aux chercheurs de manipuler les propriétés des semi-conducteurs en utilisant la lumière.

"La nature de la technique D-Met signifie que vous pouvez fabriquer ces matériaux à grande échelle - vous n'êtes limité que par la taille du moule que vous utilisez", a déclaré Thuo. "Vous pouvez également contrôler les structures semi-conductrices en manipulant le type de liquide utilisé dans la solution, les dimensions du moule et le taux d'évaporation de la solution.

"En bref, nous avons montré que nous pouvons auto-assembler des matériaux électroniques hautement structurés et hautement personnalisables pour les utiliser dans des appareils électroniques fonctionnels", a déclaré Thuo. "Ce travail a démontré la création de transistors et de diodes. La prochaine étape consiste à utiliser cette technique pour fabriquer des dispositifs plus complexes, tels que des puces tridimensionnelles."

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