科學家展示自組裝電子元件的嶄新技術

一項發表於《材料展望》期刊的概念驗證新研究成果，為自組裝更複雜的電子裝置鋪平了道路，且無需依賴現有的電腦晶片製造技術。

自下而上的奈米到微觀製造技術，在現代電子學和光學領域至關重要。然而，傳統的多尺度陣列製造技術，在兼顧追求更佳的裝置效能，以及降低製造成本和（或）能耗之間的矛盾時，正遭遇挑戰。張等人引入了一種簡便的混合金屬陣列製造方法，該方法基於三元液態金屬鈍化氧化物衍生的聚合有機金屬加合物的引導自組裝，以製造混合金屬線。圖片提供：朱麗葉·張。

北卡羅萊納州立大學的馬丁·圖奧教授表示：「現有的晶片製造技術步驟繁多，且依賴極其複雜的技術，使得整個過程成本高昂且耗時。」

「而我們的自組裝方法速度大幅提升，成本也更低。」

「此外，我們已證明可以利用此過程調整半導體材料的能隙，並使材料對光產生反應，這意味著該技術可用於製造光電裝置。」

「再者，目前的製造技術良品率低，也就是會生產出相當數量無法使用的瑕疵晶片。」

「而我們的方法良品率高，即能更穩定地生產陣列，減少浪費。」

他補充道：「我們將這項新的自組裝技術稱為定向金屬配體（D-Met）反應。其工作原理如下。」

「首先從液態金屬顆粒開始。在這次概念驗證研究中，我們使用了菲爾德合金，它是銦、鉍和錫的合金。」

「將液態金屬顆粒放置在模具旁邊，模具可以製成任何尺寸或圖案。然後將一種溶液倒在液態金屬上。」

「該溶液中含有稱為配體的分子，由碳和氧組成。」

「這些配體從液態金屬表面捕獲離子，並將這些離子以特定的幾何圖案固定。」

「溶液流過液態金屬顆粒，並被吸入模具中。」

當溶液流入模具時，帶有離子的配體開始自行組裝成更複雜的三維結構。

與此同時，溶液中的液態部分開始蒸發，這使得複雜結構越靠越近，最終形成一個陣列。」

圖奧教授稱：「如果沒有模具，這些結構形成的圖案會有些混亂。」

「但由於溶液受到模具的限制，結構會以可預測的、對稱的陣列形式形成。」

「一旦結構達到所需尺寸，移除模具，並對陣列進行加熱。」

「加熱會分解配體，釋放出碳和氧原子。」

「金屬離子與氧相互作用形成半導體金屬氧化物，而碳原子則形成石墨烯片。」

「這些成分自行組裝成一個有序的結構，由包裹在石墨烯片中的半導體金屬氧化物分子組成。」

圖奧教授及其同事利用這項技術製造出了奈米級和微觀級的電晶體和二極體。

北卡羅萊納州立大學的博士後研究員朱麗葉·張博士表示：「石墨烯片可用於調整半導體的能隙，根據石墨烯的質量，使半導體的反應性增強或減弱。」

此外，由於研究人員在概念驗證工作中使用了鉍，因此能夠製造出對光有反應的結構。

這使得研究人員可以利用光來操控半導體的特性。

圖奧教授稱：「D-Met技術的特性決定了可以大規模製造這些材料，唯一的限制僅在於所使用模具的尺寸。」

「還可以透過操控溶液中使用的液體型別、模具的尺寸以及溶液的蒸發速率，來控制半導體結構。」

「總之，我們已證明可以自組裝高度有序、高度可調的電子材料，用於功能性電子裝置。」

「這項研究展示了電晶體和二極體的製造。」

「下一步是利用這項技術製造更複雜的裝置，如3D晶片。」

——

朱麗葉·J·張等人。從液態金屬無限引導組裝混合金屬氧化物陣列。《材料展望》，2024年11月25日線上發表；doi: 10.1039/D4MH01177E

本文是北卡羅萊納州立大學釋出的新聞稿的一個版本。