Elektronica opbouwen vanaf de bodem

Technici zijn al decennia lang bezig met de telkens verder gaande minaturisering van elektronica. Dat de Wet van Moore daarbij nog een tijdje blijft gelden, is wellicht mede te danken aan aan onderoekers van de Universiteit van South Carolina. Chuanbing Tang houdt zich daar bezig met het bottom-up construeren van minuscule structuren, in plaats van top-down. Momenteel wordt moderne elektronica primair geproduceerd op die laatste manier: het gladde oppervlak van een startmateriaal, bijvoorbeeld een silicium wafer – wordt geëtst met micro- of nanolithografie om er patronen in te vormen. Bij de top-down methode kan een vooraf gemaakte template worden gebruikt, zoals een fotomasker, om dat patroon te realiseren. Maar deze aanpak wordt steeds lastiger, omdat het extreem duur wordt om de afmetingen van de structuren op de template te verkleinen.

Onbetaalbaar

 "Bij het teruggaan  van 500 naar minder dan 30 nanometer wordt grootschalige productie onbetaalbaar," zegt Tang, assistent-professor op de afdeling chemie en biochemie van het College of Arts and Sciences van de universiteit.

Als chemicus gebruikt Tang een bottom-up benadering: hij werkt met afzonderlijke moleculen die worden geplaatst op een oppervlak waar ze zichzelf gecontroleerd rangschikken tot de gewenste patronen. Een gangbare methode om dit te doen, werkt met blokcopolymeren waarin een polymeerketen is samengesteld uit twee of meer secties (blokken) van verschillende gepolymeriseerde monomeren.

Als de verschillende bloksecties op de juiste manier zijn ontworpen zullen de blokken zich zelf samenvoegen en die aggregatie kan worden gebruikt om gewenste patronen te creëren op nanoschaal zonder dat er templates nodig zijn. Di-blokcopolymeren van poly(ethyleenoxide) en polystyreen zijn bijvoorbeeld gebruikt om hoge-orde arrays te construeren van  loodrechte cilinders van nanomaterialen.

Metaal en koolstof

Tang’s laboratorium heeft onlangs een paper gepubliceerd in de speciale uitgave ‘Emerging Investigators 2013′ van het tijdschrift Chemical Communications, dat deze methode maar een hoger niveau tilt. Samen met student Christopher Hardy, leidde Tang een team dat nanodeeltjes produceerde van puur kristallijn ijzeroxide met beheersbare grootte en tussenruimten op silicium wafers, door het covalent opnemen van een ferroceengroep in een tri-blokcopolymeer.

Het opnemen van metalen in ontwerpen op nanoschaal is cruciaal voor de productie van elektronicacomponenten, en de methode van Tang is een belangrijke stap op dit gebied. Omdat ferroceen covalent is gebonden aan het blokcopolymeer, is het niet nodig om een metaalbevattende samenstelling op het opperblak aan te brengen – een problematisch vereiste bij de meeste eerdere methodes. Bovendien gaat de techniek een stuk verder dan andere polymeersystemen waarbij ferroceensilaan wordt gebruikt en waar bij het verwijderen van de organische componenten siliciumoxide achterblijft als verontreiniging in het metaaloxide.

De techniek is een veelbelovende toevoeging aan de methoden die erop zijn gericht om de afmetingen van elektronicacomponenten verder te verkleinen. "De industrie zal top-down methoden niet vervangen", zegt Tang, "maar ze willen wel op korte termijn bottom-up technieken combinern met top-down".

Tang’s techniek kan op verschillende manieren worden ingezet. "Hier werken we met een ferroceen-bevattend polymeer dat wordt omgezet in ijzeroxide. Maar als we het ferroceen vervangen door koolstof kunnen we koolstof nanostaafjes maken, met een hoop potentiële toepassingen", aldus Tang. "Of we kunnen een, halfgeleidend polymeer gebruiken, zoals polytiofeen, wat nuttig kan zijn voor zonnecellen."