الکترونیک خود-ساز: انقلابی در فناوری آینده!

تکنیک جدید برای خودآرایی دستگاه‌های الکترونیکی

محققان یک تکنیک جدید برای خودآرایی دستگاه‌های الکترونیکی ارائه داده‌اند. این کار به عنوان اثبات مفهوم، برای ایجاد دیودها و ترانزیستورها استفاده شده و راه را برای خودآرایی دستگاه‌های الکترونیکی پیچیده‌تر بدون اتکا به تکنیک‌های موجود تولید تراشه‌های کامپیوتری هموار می‌کند.

مارتین توهو، نویسنده مسئول این مقاله و استاد علم مواد و مهندسی در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی می‌گوید: «تکنیک‌های موجود تولید تراشه شامل مراحل زیادی هستند و به فناوری‌های بسیار پیچیده‌ای وابسته‌اند که این فرآیند را پرهزینه و زمان‌بر می‌کند.» او ادامه می‌دهد: «روش خودآرایی ما به طور قابل توجهی سریع‌تر و کم‌هزینه‌تر است. ما همچنین نشان داده‌ایم که می‌توانیم از این فرآیند برای تنظیم شکاف انرژی مواد نیمه‌رسانا و ساخت مواد حساس به نور استفاده کنیم؛ به این معنی که این تکنیک می‌تواند برای تولید دستگاه‌های اپتوالکترونیکی به کار رود.»

توهو همچنین اشاره می‌کند: «تکنیک‌های تولید کنونی دارای بازده پایینی هستند، به این معنا که تعداد نسبتاً زیادی از تراشه‌های معیوب تولید می‌کنند که نمی‌توان از آن‌ها استفاده کرد. در حالی که رویکرد ما دارای بازده بالایی است، به این معنی که تولید آرایه‌ها به طور مداوم و با ضایعات کمتر انجام می‌شود.»

تکنیک جدید: واکنش فلز-لیگاند هدایت‌شده (D-Met)

توهو این تکنیک جدید خودآرایی را واکنش فلز-لیگاند هدایت‌شده (D-Met) می‌نامد. نحوه کار آن به این صورت است: شما با ذرات فلز مایع شروع می‌کنید. برای کار اثبات مفهوم خود، محققان از فلز فیلد استفاده کردند که آلیاژی از ایندیم، بیسموت و قلع است.

ذرات فلز مایع در کنار یک قالب قرار می‌گیرند که می‌توان آن را به هر اندازه یا الگو ساخت. سپس یک محلول بر روی فلز مایع ریخته می‌شود. این محلول شامل مولکول‌هایی به نام لیگاند است که از کربن و اکسیژن تشکیل شده‌اند. لیگاندها یون‌ها را از سطح فلز مایع جمع‌آوری کرده و آن‌ها را در یک الگوی هندسی خاص نگه می‌دارند. محلول بر روی ذرات فلز مایع جریان پیدا کرده و به داخل قالب کشیده می‌شود.

با ورود محلول به قالب، لیگاندهای حامل یون‌ها شروع به خودآرایی به ساختارهای پیچیده‌تر و سه‌بعدی می‌کنند. در همین حال، بخش مایع محلول شروع به تبخیر می‌کند که این کار به فشرده‌تر شدن ساختارهای پیچیده و نزدیک‌تر شدن آن‌ها به یکدیگر کمک می‌کند. توهو می‌گوید: «بدون قالب، این ساختارها می‌توانند الگوهای نسبتاً بی‌نظمی را تشکیل دهند. اما به دلیل اینکه محلول توسط قالب محدود شده است، ساختارها در آرایه‌های قابل پیش‌بینی و متقارن شکل می‌گیرند.»

زمانی که یک ساختار به اندازه مطلوب رسید، قالب برداشته می‌شود و آرایه گرم می‌شود.

تحقیقاتی در زمینه نانوترانزیستورها و دیودها با استفاده از تکنیک D-Met

این حرارت باعث تجزیه لیگاندها می‌شود و اتم‌های کربن و اکسیژن را آزاد می‌کند. یون‌های فلزی با اکسیژن تعامل کرده و اکسیدهای فلزی نیمه‌رسانا را تشکیل می‌دهند، در حالی که اتم‌های کربن ورقه‌های گرافنی را ایجاد می‌کنند. این مواد به طور خودبه‌خود به یک ساختار منظم تبدیل می‌شوند که شامل مولکول‌های اکسید فلزی نیمه‌رسانا است که در ورقه‌های گرافنی پیچیده شده‌اند.

محققان از این تکنیک برای ساخت ترانزیستورها و دیودهای نانو مقیاس و میکرو مقیاس استفاده کردند. جولیا چانگ، نویسنده اول مقاله و پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه NC State، می‌گوید: “ورقه‌های گرافنی می‌توانند برای تنظیم نوار انرژی نیمه‌رساناها استفاده شوند و این باعث می‌شود که نیمه‌رسانا بسته به کیفیت گرافن، بیشتر یا کمتر پاسخگو باشد.”

علاوه بر این، به دلیل اینکه محققان در کار اثبات مفهوم خود از بیسموت استفاده کردند، توانستند ساختارهایی بسازند که به نور پاسخ می‌دهند. این امکان به محققان این اجازه را می‌دهد که خواص نیمه‌رساناها را با استفاده از نور تغییر دهند. توه می‌گوید: “ماهیت تکنیک D-Met به این معنی است که شما می‌توانید این مواد را به صورت گسترده تولید کنید – تنها محدودیت شما اندازه قالبی است که استفاده می‌کنید.” او ادامه می‌دهد: “شما همچنین می‌توانید ساختارهای نیمه‌رسانا را با تغییر نوع مایع استفاده شده در محلول، ابعاد قالب و نرخ تبخیر محلول کنترل کنید.”

توه می‌افزاید: “به طور خلاصه، ما نشان داده‌ایم که می‌توانیم مواد الکترونیکی با ساختار بالا و قابل تنظیم را برای استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی کاربردی به صورت خودجوش بسازیم.” او همچنین اشاره می‌کند: “این کار نشان‌دهنده ایجاد ترانزیستورها و دیودها بود. مرحله بعدی استفاده از این تکنیک برای ساخت دستگاه‌های پیچیده‌تر، مانند تراشه‌های سه‌بعدی است.”

مقاله‌ای تحت عنوان “مونتاژ هدایت‌شده بی‌نهایت از آرایه‌های اکسید فلز مختلط از فلز مایع” در مجله Materials Horizons به صورت دسترسی آزاد منتشر شده است. نویسنده اول این مقاله جولیا چانگ، پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه NC State است. این مقاله به‌طور مشترک توسط اندرو مارتین، پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه NC State؛ آلانا پاولز و دھانوش جامادگنی، دانشجویان دکتری در دانشگاه NC State؛ و چوانشن دو، له وی، توماس وارد و منگ لو از دانشگاه ایالت آیووا نوشته شده است. چانگ، مارتین و توه در حال پیگیری یک پتنت مرتبط با تحقیقات D-Met هستند. چانگ، وارد و دو نیز پتنت جداگانه‌ای در حال انتظار دارند که به تحقیقات D-Met مربوط می‌شود. این کار با حمایت مرکز سیستم‌های ذره‌ای پیچیده بنیاد ملی علوم تحت گرنت 2243104 انجام شده است.