Percée dans l'électronique auto-assemblée : les chercheurs présentent une nouvelle fabrication de dispositifs

Électronique et capteurs INSIDER

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

Une nouvelle technique d'auto-assemblage

Des chercheurs ont démontré une nouvelle technique pour l'auto-assemblage de dispositifs électroniques. Le travail de preuve de concept a été utilisé pour créer des diodes et des transistors et ouvre la voie à l'auto-assemblage de dispositifs électroniques plus complexes sans dépendre des 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 génie des matériaux à l'Université d'État de Caroline du Nord. « Notre approche d'auto-assemblage est significativement plus rapide et moins coûteuse. Nous avons également démontré que nous pouvons utiliser le processus pour ajuster l'écart de bande pour les matériaux semi-conducteurs et rendre les matériaux réactifs 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 à haut rendement — ce qui signifie que vous obtenez une production plus cohérente de réseaux et moins de déchets. »

La réaction D-Met (Directed Metal-Ligand)

Thuo appelle la nouvelle technique d'auto-assemblage une réaction métal-ligand dirigée (D-Met). On commence avec des particules de métal liquide. Pour leur travail de preuve de concept, 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 fait à n'importe quelle taille ou motif. Une solution est ensuite versée sur le métal liquide. La solution contient des molécules appelées ligands qui sont composées de carbone et d'oxygène. Ces ligands extraient des ions de la surface du métal liquide et maintiennent ces ions dans un motif géométrique spécifique. La solution s'écoule à travers les particules de métal liquide et est attirée 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 eux-mêmes en structures tridimensionnelles plus complexes. Pendant ce temps, la partie liquide de la solution commence à s'évaporer, ce qui sert à compacter les structures complexes de plus en plus près les unes des autres en un réseau.

« Sans le moule, ces structures peuvent former des motifs quelque peu chaotiques », a déclaré Thuo. « Mais parce que 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 eux-mêmes en une structure bien ordonnée composée de molécules d'oxydes métalliques semi-conducteurs 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.

Propriétés ajustables et réactivité à la lumière

« Les feuilles de graphène peuvent être utilisées pour ajuster l'écart de bande des semi-conducteurs, rendant le semi-conducteur plus ou moins réactif, selon la qualité du graphène », a déclaré Julia Chang, première auteure de l'article et chercheuse postdoctorale à NC State. En outre, comme les chercheurs ont utilisé du bismuth dans le travail de preuve de concept, ils ont pu créer des structures photo-réactives. Cela permet aux chercheurs de manipuler les propriétés des semi-conducteurs à l'aide de 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 résumé, nous avons montré que nous pouvons auto-assembler des matériaux électroniques hautement structurés et hautement ajustables pour une utilisation dans des dispositifs électroniques fonctionnels », a déclaré Thuo. « Ce travail a démontré la création de transistors et de diodes. L'étape suivante est d'utiliser cette technique pour fabriquer des dispositifs plus complexes, tels que des puces tridimensionnelles. »

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