自己組織化エレクトロニクスを実証

December, 9, 2024, Raleigh--NC Stateの研究チームは、電子デバイスを自己組織化するための新しい技術を実証した。この概念実証は、ダイオードやトランジスタの作成に使用され、既存のコンピュータチップ製造技術に頼ることなく、より複雑な電子デバイスを自己組織化するための道を開いた。

「既存のチップ製造技術には多くのステップが含まれ、非常に複雑な技術に依存しているため、プロセスにはコストと時間がかかる。われわれの自己組織化アプローチは、大幅に高速化され、安価である。また、このプロセスを使用して半導体材料のバンドギャップを調整し、材料を光に応答させることができることも実証した。つまり、この手法を使用してオプトエレクトロニクスデバイスを作成できることを意味する」と、この研究に関する論文の責任著者、NC Stateの材料科学および工学の教授Martin Thuoはコメントしている。

「さらに、現在の製造技術は歩留まりが低いため、使用できない不良チップが比較的大量に生成される。われわれのアプローチは高収率であり、アレイのより一貫した生産と廃棄物の削減を実現する。」

Thuoは、この新しい自己組織化技術を指向性金属配位子(D-Met)反応と呼んでいる。その仕組みは次のとおりである。

液体金属粒子から始める。概念実証作業のために、研究チームは、インジウム、ビスマス、スズの合金であるFieldの金属を使用した。液体金属粒子は金型の隣に配置され、任意のサイズまたはパターンにすることができる。次に、溶液を液体金属に注ぐ。この溶液には、炭素と酸素で構成された配位子と呼ばれる分子が含まれている。これらの配位子は、液体金属の表面からイオンを回収し、それらのイオンを特定の幾何学的パターンで保持する。溶液は液体金属粒子を横切って流れ、金型に引き込まれる。

溶液が金型に流入すると、イオン含有配位子は、より複雑な3次元構造に集合し始める。その間、溶液の液体部分は蒸発し始め、複雑な構造をますます密接に詰めて配列に詰め込むのに役立つ。

「モールドがないと、これらの構造はやや混沌としたパターンを形成する可能性がある。しかし、溶液は金型によって制約されるため、構造は予測可能で対称的な配列で形成される」(Thuo)。

構造が目的のサイズに達したら、金型を取り外し、アレイを加熱する。この熱により配位子が分解され、炭素原子と酸素原子が解放される。金属イオンは酸素と相互作用して半導体金属酸化物を形成し、炭素原子はグラフェンシートを形成する。これらの成分は、グラフェンシートに包まれた半導体金属酸化物分子からなる整然とした構造に組み立てられる。研究チームはこの技術を使用して、ナノスケールおよびマイクロスケールのトランジスタとダイオードを作成した。

「グラフェンシートは、グラフェンの品質に応じて、半導体の応答性を多かれ少なかれ調整するために使用できる」と、論文の筆頭著者、NC Stateポスドク研究員、Julia Changは説明している。

さらに、研究チームが概念実証作業でビスマスを使用したため、光応答性の構造を作成することができた。これにより、チームは光を使用して半導体の特性を操作することができる。

「D-Met 技術の性質上、これらの材料を大規模に製造できる。使用する型のサイズによってのみ制限される。また、溶液に使われる液体の種類、金型の寸法、溶液の蒸発速度を操作することで、半導体の構造を制御することもできる」(Thuo)。

「要するに、われわれは、機能的な電子デバイスで使用するために、高度に構造化され、高度に調整可能な電子材料を自己組織化できることを示した。この研究は、トランジスタとダイオードの作成を実証した。次のステップは、この手法を使用して、3次元チップなどのより複雑なデバイスを作成することである」と、Thuoは話している。

論文「Guided Ad infinitum Assembly of Mixed-Metal Oxide Arrays from Liquid Metal」は、Materials Horizons誌にオープンアクセスで掲載されている。