Une nouvelle technique de fabrication a permis d’« auto-assembler » avec succès des transistors, des diodes et des fils à l’échelle nanométrique
Un projet de preuve de concept remarquable a réussi à fabriquer des diodes et des transistors à l’échelle nanométrique en utilisant une nouvelle technique de production rapide et bon marché dans laquelle le métal liquide est dirigé pour s’auto-assembler en structures 3D précises.
Dans une étude évaluée par des pairs qui doit être publiée dans la revue Materials Horizons , une équipe de l’Université d’État de Caroline du Nord a décrit et démontré la nouvelle méthode en utilisant un alliage d’indium, de bismuth et d’étain, connu sous le nom de métal de Field.
Le métal liquide a été placé à côté d’un moule, qui, selon les chercheurs, peut être fabriqué dans n’importe quelle taille ou forme. Lorsqu’il est exposé à l’oxygène, une fine couche d’oxyde se forme à la surface du métal. Ensuite, un liquide est versé dessus, contenant des molécules de ligand chargées négativement conçues pour extraire les atomes métalliques individuels de cette couche d’oxyde sous forme d’ions chargés positivement et se lier à eux.
Ces ions métalliques contenus dans les ligands deviennent comme des blocs de construction magnétiques, attirés les uns vers les autres, et lorsque la solution de ligand commence à circuler dans les canaux du moule, entraînée par capillarité, elle entraîne ces blocs de construction avec elle. Le moule permet essentiellement aux blocs de s’aligner en structures ordonnées, comme des fils, et de se coller les uns aux autres en place.
Les moules à canaux fermés produisent des structures finales beaucoup plus cohérentes que les moules à canaux ouverts Julia Chang/Université d’État de Caroline du Nord
« Sans le moule, ces structures peuvent former des motifs quelque peu chaotiques », explique Martin Thuo, auteur correspondant et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université d’État de Caroline du Nord. « Mais comme la solution est limitée par le moule, les structures se forment en réseaux prévisibles et symétriques. »
Une fois que tout est en place, la partie liquide de la solution de ligand commence à s’évaporer, ce qui a pour effet de serrer encore plus les ligands et les ions métalliques dans leurs canaux. Ensuite, le moule est retiré et la forme finale est lentement chauffée à environ 600 °C (1 112 °F) et maintenue à cette température pendant une heure.
Ce processus de chauffage fournit suffisamment d’énergie pour briser les liaisons chimiques qui maintiennent les molécules de ligand ensemble, de sorte que les atomes de carbone et d’oxygène sont libérés.
L’oxygène se lie immédiatement aux ions métalliques, formant des oxydes métalliques semi-conducteurs qui fusionnent entre eux lors d’un processus de frittage pour former des fils. Les atomes de carbone, quant à eux, s’organisent en graphène, qui s’enroule soigneusement autour des fils pour améliorer leur conductivité électrique, les protégeant ainsi de l’humidité ou d’une oxydation supplémentaire.
Images SEM de sections transversales de grilles à 2 couches, mettant en évidence les points de contact entre les couches Julia Chang/Université d’État de Caroline du Nord
Les chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient également utiliser ces couches de graphène pour modifier les propriétés électriques et optoélectriques des fils obtenus. « Les feuilles de graphène peuvent être utilisées pour ajuster la bande interdite des semi-conducteurs, ce qui rend le semi-conducteur plus ou moins réactif, en fonction de la qualité du graphène », explique Julia Chang, première auteure de l’étude et chercheuse postdoctorale à l’université NC State.
Même si le processus de chauffage provoque un « rétrécissement volumique important », les fils résultants restent continus et ne se cassent pas.
« En bref, nous avons montré que nous pouvons assembler nous-mêmes des matériaux électroniques hautement structurés et hautement ajustables pour les utiliser dans des appareils électroniques fonctionnels », explique Martin Thuo. « Ces travaux ont démontré la création de transistors et de diodes. La prochaine étape consiste à utiliser cette technique pour fabriquer des appareils plus complexes, comme des puces tridimensionnelles. »
« La nature de la technique D-Met (ligand métallique dirigé) », poursuit-il, « signifie que vous pouvez fabriquer ces matériaux à grande échelle – vous n’êtes limité que par la taille du moule que vous utilisez. »
Les images obtenues au microscope électronique à balayage montrent des formes et des motifs complexes dans les métaux fabriqués Julia Chang/Université d’État de Caroline du Nord
Selon l’équipe, cette technique offre un moyen plus rapide, moins coûteux et plus fiable de fabriquer des puces informatiques. « Les techniques de fabrication de puces existantes impliquent de nombreuses étapes et reposent sur des technologies extrêmement complexes, ce qui rend le processus coûteux et chronophage », souligne Martin Thuo. « Notre approche d’auto-assemblage est nettement plus rapide et moins coûteuse. Nous avons également démontré que nous pouvons utiliser ce processus pour ajuster la bande interdite des matériaux semi-conducteurs et pour rendre les matériaux sensibles à la lumière, ce qui signifie que cette technique peut être utilisée pour créer des dispositifs optoélectroniques. »
« De plus, les techniques de fabrication actuelles ont un faible rendement, ce qui signifie qu’elles produisent un nombre relativement important de puces défectueuses qui ne peuvent pas être utilisées. Notre approche est axée sur le rendement élevé, ce qui signifie que vous obtenez une production de matrices plus cohérente et moins de déchets. »
C’est une œuvre assez remarquable, mais dans le domaine de l’électronique, la taille est essentielle. Jetez un œil rapide à la vidéo remarquable ci-dessous pour vous faire une idée de la taille minimale que doivent avoir les « fils » d’une puce de processeur moderne .
Comment sont fabriquées les puces électroniques ? 🖥️🛠️ Étapes du processus de fabrication du processeur
Les techniques de production de pointe utilisées par des fabricants comme TSMC de Taiwan permettent de produire des composants dont les dimensions minimales ne dépassent pas 3 nm, soit environ la largeur de 15 atomes de silicium. Il est absolument stupéfiant que cette fabrication de masse soit réalisée à une échelle aussi proche de celle de l’atome individuel, mais plus elle est petite, plus la puce qui en résulte peut être rapide et efficace.
Comment cette technologie « d’auto-assemblage » se compare-t-elle à celle-ci ? Dans l’étude publiée, les chercheurs ont réussi à fabriquer des fils d’environ 1 000 nm jusqu’à 44 nm.
Les fils les plus fins produits dans l’étude mesuraient seulement 44 nm de large, Julia Chang/Université d’État de Caroline du Nord
C’est assez incroyable. Il s’agit d’une véritable technique de fabrication à l’échelle nanométrique, plus rapide, moins chère et plus fiable que les meilleures méthodes actuelles, même si elle ne peut pas encore rivaliser en termes de résolution finale à l’échelle atomique. On ne sait pas si la technique D-Met peut être adaptée pour fonctionner à des échelles encore plus petites, mais l’équipe de recherche pense qu’elle est tout à fait capable de passer à l’échelle supérieure en termes de production de masse.
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2024/MH/D4MH01177E
