Avance en Electrónica Autoensamblable: Investigadores Presentan Nueva Técnica de Fabricación de Dispositivos

Electrónica y Sensores INSIDER

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

Una nueva técnica de autoensamblaje

Los investigadores han demostrado una nueva técnica para autoensamblar dispositivos electrónicos. El trabajo de prueba de concepto se utilizó para crear diodos y transistores y allana el camino para autoensamblar dispositivos electrónicos más complejos sin depender de las técnicas de fabricación de chips informáticos 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 lento", 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 enfoque de autoensamblaje es significativamente más rápido y menos costoso. También hemos demostrado que podemos usar 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 puede usarse para crear dispositivos optoelectrónicos.

"Además, las técnicas de fabricación actuales tienen bajo rendimiento, lo que significa que producen una cantidad relativamente grande de chips defectuosos que no se pueden usar. Nuestro enfoque es de alto rendimiento —lo que significa que se obtiene una producción más consistente de arrays y menos residuos."

Reacción metal-ligando dirigida (D-Met)

Thuo llama a la nueva técnica de autoensamblaje una reacción metal-ligando dirigida (D-Met). Se comienza con partículas de metal líquido. Para su trabajo de prueba de concepto, los investigadores usaron 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 tener cualquier tamaño o patrón. Luego se vierte una solución sobre el metal líquido. La solución contiene moléculas llamadas ligandos que están compuestas de carbono y oxígeno. Estos ligandos extraen 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 es atraída hacia el molde.

Autoensamblaje en estructuras 3D ordenadas

A medida que la solución fluye hacia el molde, los ligandos portadores de iones comienzan a autoensamblarse en estructuras tridimensionales más complejas. Mientras tanto, la parte líquida de la solución comienza a evaporarse, lo que sirve para empaquetar las estructuras complejas cada vez más cerca en un array.

"Sin el molde, estas estructuras pueden formar patrones algo caóticos", dijo Thuo. "Pero como la solución está limitada por el molde, las estructuras se forman en arrays predecibles y simétricos."

Una vez que una estructura ha alcanzado el tamaño deseado, se retira el molde y el array se calienta. 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 autoensamblan en una estructura bien ordenada que consiste en moléculas de óxido metálico semiconductor envueltas en láminas de grafeno. Los investigadores usaron esta técnica para crear transistores y diodos a nano y microescala.

Propiedades ajustables y foto-responsivas

"Las láminas de grafeno pueden usarse para ajustar la banda prohibida de los semiconductores, haciendo que el semiconductor sea más o menos receptivo, dependiendo de la calidad del grafeno", dijo Julia Chang, primera autora del artículo e investigadora postdoctoral en NC State. Además, como los investigadores usaron bismuto en el trabajo de prueba de concepto, pudieron crear estructuras que son foto-responsivas. Esto permite a los investigadores manipular las propiedades de los semiconductores usando luz.

Escalabilidad y control

"La naturaleza de la técnica D-Met significa que puedes fabricar estos materiales a gran escala —solo estás limitado por el tamaño del molde que uses", dijo Thuo. "También puedes controlar las estructuras semiconductoras manipulando el tipo de líquido usado 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 altamente ajustables para su uso en dispositivos electrónicos funcionales", dijo Thuo. "Este trabajo demostró la creación de transistores y diodos. El siguiente paso es usar esta técnica para fabricar dispositivos más complejos, como chips tridimensionales."

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