自组装电子产品的突破：研究人员展示新型设备制造
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D-Met 制造的图案可生产可用于微机电系统 (MEMS) 的组件。 （图片：朱莉娅·张）研究人员展示了一种自组装电子设备的新技术。概念验证工作用于创建二极管和晶体管，并为在不依赖现有计算机芯片制造技术的情况下自组装更复杂的电子设备铺平了道路。
“现有的芯片制造技术涉及许多步骤，并且依赖于极其复杂的技术，使得整个过程成本高昂且耗时，”该研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授 Martin Thuo 说。 “我们的自组装方法速度明显更快，成本也更低。我们还证明，我们可以使用该工艺来调整半导体材料的带隙，并使材料对光做出响应，这意味着该技术可用于创建光电设备。
“此外，目前的制造技术产量较低，这意味着它们会生产出相对大量无法使用的故障芯片。我们的方法是高产量——这意味着您可以获得更一致的阵列生产并减少浪费。”
Thu 将这种新的自组装技术称为定向金属配体 (D-Met) 反应。你从液态金属颗粒开始。在概念验证工作中，研究人员使用了菲尔德金属，这是一种铟、铋和锡的合金。液态金属颗粒被放置在模具旁边，模具可以制成任何尺寸或图案。然后将溶液倒在液态金属上。该溶液含有由碳和氧组成的称为配体的分子。这些配体从液态金属表面收集离子，并将这些离子保持在特定的几何图案中。溶液流过液态金属颗粒并被吸入模具中。
当溶液流入模具时，带有离子的配体开始将自身组装成更复杂的三维结构。与此同时，溶液的液体部分开始蒸发，这有助于将复杂的结构越来越紧密地堆积成阵列。
“如果没有模具，这些结构可能会形成有些混乱的图案，”图说。 “但由于解决方案受到模具的限制，结构会形成可预测的对称阵列。”
一旦结构达到所需的尺寸，模具就会被移除，阵列就会被加热。这种热量会分解配体，释放碳和氧原子。金属离子与氧相互作用形成半导体金属氧化物，而碳原子形成石墨烯片。这些成分自行组装成一个有序的结构，由包裹在石墨烯片中的半导体金属氧化物分子组成。研究人员利用这种技术制造了纳米级和微米级晶体管和二极管。
该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员 Julia Chang 表示：“石墨烯片可用于调节半导体的带隙，使半导体的响应能力提高或降低，具体取决于石墨烯的质量。”此外，由于研究人员在概念验证工作中使用了铋，他们能够制造出光响应的结构。这使得研究人员能够利用光来操纵半导体的特性。
“D-Met 技术的本质意味着你可以大规模制造这些材料 - 你只受到所使用的模具尺寸的限制，”Thuo 说。 “您还可以通过操纵溶液中使用的液体类型、模具的尺寸以及溶液的蒸发速率来控制半导体结构。
“简而言之，我们已经证明我们可以自组装高度结构化、高度可调的电子材料，用于功能性电子设备，”Thuo 说。 “这项工作展示了晶体管和二极管的创建。下一步是使用这项技术来制造更复杂的设备，例如三维芯片。”
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