Avance en electrónica de autoensamblaje:investigadores muestran la fabricación de dispositivos novedosos

Electrónica y sensores INSIDER

Los patrones fabricados con D-Met producen componentes para uso potencial en sistemas microelectromecánicos (MEMS). (Imagen:Julia Chang)

Los investigadores han demostrado una nueva técnica para el autoensamblaje de dispositivos electrónicos. El trabajo de prueba de concepto se utilizó para crear diodos y transistores y allana el camino para el autoensamblaje de dispositivos electrónicos más complejos sin depender de las técnicas de fabricación de chips de computadora existentes.

"Las técnicas de fabricación de chips existentes implican muchos pasos y dependen de tecnologías extremadamente complejas, lo que hace que el proceso sea costoso y requiere mucho tiempo", dijo Martin Thuo, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. "Nuestro método de autoensamblaje es significativamente más rápido y menos costoso. También hemos demostrado que podemos utilizar el proceso para ajustar la banda prohibida de materiales semiconductores y hacer que los materiales respondan a la luz, lo que significa que esta técnica se puede utilizar para crear dispositivos optoelectrónicos.

“Es más, las técnicas de fabricación actuales tienen un bajo rendimiento, lo que significa que producen una cantidad relativamente grande de chips defectuosos que no se pueden utilizar. Nuestro enfoque es el alto rendimiento, lo que significa que se obtiene una producción más consistente de matrices y menos desperdicio”.

Thuo llama a la nueva técnica de autoensamblaje reacción dirigida de ligando metálico (D-Met). Comienzas con partículas de metal líquido. Para su trabajo de prueba de concepto, los investigadores utilizaron el metal de Field, que es una aleación de indio, bismuto y estaño. Las partículas de metal líquido se colocan junto a un molde, que puede fabricarse con cualquier tamaño o patrón. Luego se vierte una solución sobre el metal líquido. La solución contiene moléculas llamadas ligandos que están formadas por carbono y oxígeno. Estos ligandos recolectan iones de la superficie del metal líquido y los mantienen en un patrón geométrico específico. La solución fluye a través de las partículas de metal líquido y se introduce en el molde.

A medida que la solución fluye hacia el molde, los ligandos portadores de iones comienzan a ensamblarse en estructuras tridimensionales más complejas. Mientras tanto, la parte líquida de la solución comienza a evaporarse, lo que sirve para agrupar las estructuras complejas cada vez más juntas en una matriz.

"Sin el molde, estas estructuras pueden formar patrones algo caóticos", dijo Thuo. "Pero debido a que la solución está limitada por el molde, las estructuras se forman en matrices simétricas y predecibles".

Una vez que una estructura ha alcanzado el tamaño deseado, se retira el molde y se calienta la matriz. Este calor rompe los ligandos, liberando los átomos de carbono y oxígeno. Los iones metálicos interactúan con el oxígeno para formar óxidos metálicos semiconductores, mientras que los átomos de carbono forman láminas de grafeno. Estos ingredientes se ensamblan en una estructura bien ordenada que consta de moléculas de óxido metálico semiconductor envueltas en láminas de grafeno. Los investigadores utilizaron esta técnica para crear transistores y diodos a nanoescala y microescala.

"Las láminas de grafeno se pueden utilizar para ajustar la banda prohibida de los semiconductores, haciendo que el semiconductor responda más o menos, dependiendo de la calidad del grafeno", dijo Julia Chang, primera autora del artículo e investigadora postdoctoral en NC State. Además, debido a que los investigadores utilizaron bismuto en el trabajo de prueba de concepto, pudieron crear estructuras que responden a la luz. Esto permite a los investigadores manipular las propiedades de los semiconductores utilizando la luz.

"La naturaleza de la técnica D-Met significa que puedes fabricar estos materiales a gran escala; sólo estás limitado por el tamaño del molde que utilizas", dijo Thuo. “También se pueden controlar las estructuras semiconductoras manipulando el tipo de líquido utilizado en la solución, las dimensiones del molde y la tasa de evaporación de la solución.

"En resumen, hemos demostrado que podemos autoensamblar materiales electrónicos altamente estructurados y sintonizables para su uso en dispositivos electrónicos funcionales", dijo Thuo. "Este trabajo demostró la creación de transistores y diodos. El siguiente paso es utilizar esta técnica para crear dispositivos más complejos, como chips tridimensionales".

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