自组装电子学突破：研究人员展示新型器件制造技术

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D-Met制造图案产生的组件可用于微机电系统（MEMS）。（图片来源：Julia Chang）

自组装电子器件新技术

研究人员演示了一种自组装电子器件的新技术。该概念验证工作用于制造二极管和晶体管，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电子器件铺平道路。

"现有芯片制造技术涉及许多步骤，依赖极其复杂的技术，导致过程昂贵耗时。"——Martin Thuo，北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授、论文通讯作者

"我们的自组装方法显著更快、更便宜。我们还演示了可调节半导体材料带隙并使材料对光响应——意味着该技术可用于制造光电器件。此外，现有制造技术良率低，会产生大量不可用的故障芯片。我们的方法良率高——意味着阵列生产更一致、废料更少。"

定向金属-配体（D-Met）反应原理

Thuo将这项新自组装技术称为定向金属-配体（D-Met）反应。起始材料是液态金属颗粒。概念验证中使用了Field's metal（铟、铋、锡合金）。液态金属颗粒放置在模具旁，模具可做任意尺寸或图案。然后将溶液倒在液态金属上。溶液含有由碳和氧组成的配体分子。这些配体从液态金属表面收集离子并将其保持在特定几何图案中。溶液流过液态金属颗粒并被吸入模具。

当溶液流入模具时，携带离子的配体开始自组装成更复杂的三维结构。同时溶液液体部分开始蒸发，使复杂结构越来越紧密地堆积成阵列。

"没有模具，这些结构会形成混乱图案。但受模具约束，结构形成可预测的对称阵列。"——Thuo

结构达到所需尺寸后，移除模具并加热阵列。热量分解配体，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，碳原子形成石墨烯片。这些成分自组装成有序结构：半导体金属氧化物分子被石墨烯片包裹。研究人员用此技术制造了纳米和微米级晶体管及二极管。

可调节性与可扩展性

"石墨烯片可调节半导体带隙，使半导体响应性随石墨烯质量变化。此外，因概念验证用了铋，制得的结构具有光响应性，可用光操控半导体性质。"——Julia Chang，论文第一作者、NC State博士后研究员

"D-Met技术本质意味着可大规模制造这些材料——仅受模具尺寸限制。也可通过操控溶液液体类型、模具尺寸和溶液蒸发速率来控制半导体结构。简而言之，我们已证明能自组装高度有序、高度可调的电子材料用于功能性电子器件。本工作演示了晶体管和二极管制造。下一步是用此技术制造更复杂器件，如三维芯片。"——Thuo

来源

MIT研究人员实现全3D打印有源电子器件突破美国海军先进脱气测试保障水下设备安全

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