Новый, более устойчивый метод производства микрочипов и других наноразмерных устройств

Размещение 50 миллиардов транзисторов в микрочипе размером с ноготь — это подвиг, требующий производственных методов нанометровой точности: наслоение тонких пленок, а затем травление, осаждение или использование фотолитографии для создания шаблонов из полупроводника, изолятора, металла и других материалов, из которых состоят крошечные рабочие устройства внутри чипа.

В этом процессе широко используются растворители, которые переносят и осаждают материалы в каждом слое. Эти растворители сложны в обращении и токсичны для окружающей среды.

Теперь исследователи под руководством Фиоренцо Оменетто, профессора инженерии Фрэнка С. Добла в Университете Тафтса, разработали подход к нанопроизводству, который использует воду в качестве основного растворителя, что делает его более экологически безопасным и открывает двери для разработки устройств, которые объединяют неорганические и биологические материалы. Исследование опубликовано в журнале Природа Нанотехнологии.

Проблема использования воды в качестве растворителя заключается в том, что материалы, с которыми она контактирует в процессе производства, часто являются гидрофобными, то есть отталкивают воду. Подобно тому, как капли воды собираются в капли на хорошо натертом воском автомобиле, поверхность кремниевой пластины или другого материала может сопротивляться равномерному покрытию материалом на водной основе.

Оменетто и его команда из Silklab Университета Тафтса обнаружили, что белковый строительный блок обычного шелка, называемый фиброином шелка, может значительно улучшить способность воды равномерно покрывать практически любую поверхность, в зависимости от количества добавленного фиброина.

Для решения этой проблемы в коммерческом производстве используются и другие поверхностно-активные вещества, изменяющие свойства воды, однако фиброин шелка можно использовать в значительно меньших количествах, он обеспечивает более высокое качество и является биологически и экологически безопасным.

«Это открывает огромные возможности в производстве устройств», — сказал Оменетто. «Можно не только наносить водорастворимые материалы и металлы на кремний, но и на все виды полимеров. Мы даже можем наносить и печатать биологические молекулы практически на любой поверхности с нанометровой точностью».

Оменетто и его команда продемонстрировали эту способность в более ранних исследованиях, создав гибридный кремниево-биологический транзистор, который может реагировать на окружающую среду, переключаться между цифровой и аналоговой обработкой и даже может стать предшественником нейроморфных (похожих на мозг) устройств.

Биологические молекулы использовались в сочетании с электроникой, например, для обнаружения глюкозы в крови, антител, указывающих на инфекцию, и фрагментов ДНК для выявления мутаций, но их интеграция в обычные наноустройства, такие как микрочипы, может позволить разработать следующее поколение биосенсоров и процессоров, реагирующих на состояние здоровья и окружающую среду.

Наноустройства, продемонстрированные в текущем исследовании с использованием обработки на водной основе, включают в себя многие компоненты, которые сегодня широко используются в компьютерах, смартфонах, солнечных элементах и ​​других технологиях:

• Транзисторы на основе оксида индия, галлия и цинка, в основном используемые в дисплейных технологиях, гибкой электронике, детектировании изображений и сенсорных экранах.
• Изоляторы из оксида алюминия, используемые в транзисторах для управления потоком электронов
• Пленки оксида никеля, используемые в оптических фильтрах, солнечных батареях и прозрачных дисплеях, а также
• Пленки перовскита используются в высокоэффективных солнечных элементах, светодиодах, детекторах света, лазерах и запоминающих устройствах.

Производительность этих компонентов соответствовала производительности их коммерчески разработанных аналогов. Фактически, производство микрочипов и других наноустройств на основе воды может быть легко заменено в текущем производственном процессе, заявили исследователи.