Avanço em Eletrônica Auto-Montável: Pesquisadores Demonstram Nova Fabricação de Dispositivos

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Padrões fabricados com D-Met produzem componentes para uso potencial em sistemas microeletromecânicos (MEMS). (Imagem: Julia Chang)

Nova Técnica de Auto-Montagem

Pesquisadores demonstraram uma nova técnica para auto-montagem de dispositivos eletrônicos. O trabalho de prova de conceito foi usado para criar diodos e transistores e abre caminho para auto-montar dispositivos eletrônicos mais complexos sem depender das atuais técnicas de fabricação de chips de computador.

"As técnicas existentes de fabricação de chips envolvem muitas etapas e dependem de tecnologias extremamente complexas, tornando o processo caro e demorado", disse Martin Thuo, autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade Estadual da Carolina do Norte. "Nossa abordagem de auto-montagem é significativamente mais rápida e menos cara. Também demonstramos que podemos usar o processo para ajustar a lacuna de banda para materiais semicondutores e tornar os materiais responsivos à luz — o que significa que esta técnica pode ser usada para criar dispositivos optoeletrônicos.

"Além disso, as técnicas atuais de fabricação têm baixo rendimento, o que significa que produzem um número relativamente grande de chips defeituosos que não podem ser usados. Nossa abordagem é de alto rendimento — o que significa que você obtém produção mais consistente de arranjos e menos desperdício."

Reação D-Met (Metal-Ligante Direcionado)

Thuo chama a nova técnica de auto-montagem de reação metal-ligante direcionada (D-Met). Você começa com partículas de metal líquido. Para seu trabalho de prova de conceito, os pesquisadores usaram o metal de Field, que é uma liga de índio, bismuto e estanho. As partículas de metal líquido são colocadas ao lado de um molde, que pode ser feito em qualquer tamanho ou padrão. Uma solução é então derramada sobre o metal líquido. A solução contém moléculas chamadas ligantes compostas de carbono e oxigênio. Esses ligantes extraem íons da superfície do metal líquido e mantêm esses íons em um padrão geométrico específico. A solução flui através das partículas de metal líquido e é atraída para o molde.

À medida que a solução flui para o molde, os ligantes portadores de íons começam a se auto-montar em estruturas tridimensionais mais complexas. Enquanto isso, a parte líquida da solução começa a evaporar, o que serve para compactar as estruturas complexas cada vez mais próximas em um arranjo.

"Sem o molde, essas estruturas podem formar padrões um tanto caóticos", disse Thuo. "Mas como a solução é restringida pelo molde, as estruturas se formam em arranjos previsíveis e simétricos."

Uma vez que uma estrutura atinge o tamanho desejado, o molde é removido e o arranjo é aquecido. Este calor quebra os ligantes, liberando os átomos de carbono e oxigênio. Os íons metálicos interagem com o oxigênio para formar óxidos metálicos semicondutores, enquanto os átomos de carbono formam folhas de grafeno. Esses ingredientes se auto-montam em uma estrutura bem ordenada consistindo de moléculas de óxido metálico semicondutor envolvidas em folhas de grafeno. Os pesquisadores usaram esta técnica para criar transistores e diodos em nanoescala e microescala.

Propriedades Ajustáveis e Escalabilidade

"As folhas de grafeno podem ser usadas para ajustar a lacuna de banda dos semicondutores, tornando o semicondutor mais ou menos responsivo, dependendo da qualidade do grafeno", disse Julia Chang, primeira autora do artigo e pesquisadora de pós-doutorado na NC State. Além disso, como os pesquisadores usaram bismuto no trabalho de prova de conceito, eles conseguiram criar estruturas que são fotossensíveis. Isso permite que os pesquisadores manipulem as propriedades dos semicondutores usando luz.

"A natureza da técnica D-Met significa que você pode fazer esses materiais em grande escala — você é limitado apenas pelo tamanho do molde que usa", disse Thuo. "Você também pode controlar as estruturas semicondutoras manipulando o tipo de líquido usado na solução, as dimensões do molde e a taxa de evaporação da solução.

"Em resumo, mostramos que podemos auto-montar materiais eletrônicos altamente estruturados e altamente ajustáveis para uso em dispositivos eletrônicos funcionais", disse Thuo. "Este trabalho demonstrou a criação de transistores e diodos. O próximo passo é usar esta técnica para fazer dispositivos mais complexos, como chips tridimensionais."

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