Forscher der North Carolina State University haben eine bahnbrechende Selbstmontagetechnik für elektronische Geräte vorgestellt, die die Produktion von Dioden und Transistoren vereinfachen soll. Diese neue Methode, bekannt als Directed Metal-Ligand Reaction (D-Met), reduziert erheblich die Komplexität und die Kosten der traditionellen Chipfertigungsprozesse.
Martin Thuo, Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen, betonte die Vorteile dieses Ansatzes: "Aktuelle Chipfertigung umfasst zahlreiche Schritte und beruht auf extrem komplexen Technologien, was den Prozess kostspielig und zeitaufwendig macht. Unsere Selbstmontagemethode ist viel schneller und kostengünstiger. Wir können auch die Bandlücke von Halbleitermaterialien anpassen und sie lichtempfindlich machen, was den Weg für optoelektronische Geräte ebnet."
Thuo stellte fest, dass traditionelle Fertigungstechniken oft einen hohen Prozentsatz fehlerhafter Chips produzieren, was zu Abfall führt. Im Gegensatz dazu bietet die D-Met-Technik eine hohe Ausbeute, was eine konsistente Produktion und die Minimierung von Abfall erleichtert.
Der Prozess beginnt mit flüssigen Metallpartikeln, speziell einer Field-Metalllegierung aus Indium, Bismut und Zinn. Die Forscher platzieren diese Partikel neben einer Form beliebiger Größe oder Form. Eine Lösung, die Liganden enthält—Moleküle aus Kohlenstoff und Sauerstoff—wird über das flüssige Metall gegossen. Diese Liganden erfassen Ionen von der Metalloberfläche und ordnen sie in ein bestimmtes geometrisches Muster an, während die Lösung in die Form fließt.
Während die Lösung die Form füllt, montieren sich die ligandentragenden Ionen zu komplexen dreidimensionalen Strukturen. Der flüssige Bestandteil der Lösung verdampft, wodurch die Strukturen zu einem kohärenten Netzwerk verdichtet werden. Thuo erklärt: "Ohne die Form können diese Strukturen etwas chaotische Muster bilden. Doch die Form schränkt die Lösung ein, sodass vorhersehbare und symmetrische Netzwerke entstehen können."
Sobald die gewünschte Struktur erreicht ist, wird die Form entfernt und das Netzwerk erhitzt. Dieser Prozess zerlegt die Liganden, wodurch Kohlenstoff- und Sauerstoffatome freigesetzt werden, die mit den Metallionen interagieren, um Halbleiter-Metalloxide zu bilden, während die Kohlenstoffatome Graphenschichten erzeugen. Das Ergebnis ist eine gut geordnete Struktur aus Halbleiter-Metalloxid-Molekülen, die in Graphenschichten eingehüllt sind.
Julia Chang, die Hauptautorin der Studie, fügte hinzu: "Graphenschichten können verwendet werden, um die Bandlücke von Halbleitern einzustellen, wodurch der Halbleiter je nach Qualität des Graphens reaktiver oder weniger reaktiv wird." Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Bismut die Herstellung lichtreaktiver Strukturen, die es Forschern ermöglichen, die Eigenschaften von Halbleitern mit Licht zu manipulieren.
Thuo bemerkte zur Skalierbarkeit der D-Met-Technik: "Die einzige Einschränkung ist die Größe der verwendeten Form. Wir können auch die Halbleiterstrukturen steuern, indem wir die Art der Flüssigkeit in der Lösung, die Abmessungen der Form und die Verdampfungsrate der Lösung manipulieren."
Zusammenfassend haben die Forscher die Fähigkeit demonstriert, hochstrukturierte und einstellbare elektronische Materialien für funktionale Geräte selbst zu montieren. Der nächste Schritt wird darin bestehen, diese Technik zur Herstellung komplexerer Geräte, wie dreidimensionaler Chips, zu nutzen.
Illustrationsunterschrift: Von D-Met produzierte Modelle könnten in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) verwendet werden. Foto: Julia Chang.