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Investigadores del MIT han desarrollado una técnica para controlar con precisión la disposición y ubicación de las nanopartículas en un material, como el silicio utilizado en los chips de computadora, sin dañar ni contaminar la superficie del material.
La técnica, que combina la química y los procesos de ensamblaje dirigidos con las técnicas de fabricación tradicionales, permite la formación eficiente de características a nanoescala de alta resolución integradas con nanopartículas para dispositivos como sensores, láseres y LED que podrían aumentar su rendimiento.
Los transistores y otros dispositivos a nanoescala generalmente se fabrican de arriba hacia abajo; Los materiales se graban para lograr la disposición deseada de las nanoestructuras. Pero fabricar las nanoestructuras más pequeñas que pueden permitir el mayor rendimiento y nuevas funcionalidades requiere un equipo costoso y sigue siendo un desafío a escala y con la resolución deseada.
Una forma más precisa de ensamblar dispositivos a nanoescala es de abajo hacia arriba. En un esquema, los ingenieros han usado la química para «crecer» nanopartículas en solución, gotear esa solución sobre una plantilla, ordenar las nanopartículas y luego transferirlas a una superficie. Sin embargo, esta tecnología también trae consigo grandes desafíos. Primero, miles de nanopartículas deben ensamblarse de manera eficiente en la plantilla. Y su transferencia a una superficie generalmente requiere un adhesivo químico, una gran presión o altas temperaturas que podrían dañar las superficies y el dispositivo resultante.
Los investigadores del MIT desarrollaron un nuevo enfoque para superar estas limitaciones. Utilizaron las poderosas fuerzas que existen en la nanoescala para organizar de manera eficiente las partículas en un patrón deseado y luego transferirlas a una superficie sin productos químicos ni alta presión y a temperaturas más bajas. Debido a que el material de la superficie permanece prístino, estas estructuras a nanoescala se pueden incorporar en componentes para dispositivos electrónicos y ópticos, donde incluso las imperfecciones más pequeñas pueden afectar el rendimiento.
«Este enfoque le permite colocar las nanopartículas, a pesar de su tamaño muy pequeño, mediante fuerzas de ingeniería en arreglos deterministas con resolución de una sola partícula y en diferentes superficies para crear bibliotecas de bloques de construcción a nanoescala que pueden tener propiedades únicas, ya sea de ellos». Interacciones entre la luz y la materia, sus propiedades electrónicas, su comportamiento mecánico, etc. dice Farnaz Niroui, Profesor Asistente de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) de EE Landsman Career Development en el MIT, miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y autor principal de un nuevo artículo que describe el trabajo. «Al integrar estos bloques de construcción con otras nanoestructuras y materiales, podemos lograr dispositivos con funcionalidades únicas que no serían posibles utilizando solo las estrategias tradicionales de fabricación de arriba hacia abajo».
La investigación se publica en avances científicos. Los coautores de Niroui son el autor principal Weikun «Spencer» Zhu, estudiante graduado en el Departamento de Ingeniería Química, y los estudiantes graduados de EECS Peter F. Satterthwaite, Patricia Jastrzebska-Perfect y Roberto Brenes.
Usa los poderes
Para comenzar su proceso de fabricación, conocido como impresión por contacto de nanopartículas, los investigadores utilizan la química para crear nanopartículas de un tamaño y forma definidos en una solución. A simple vista, esto parece un vial de líquido coloreado, pero al acercarlo con un microscopio electrónico, se verían millones de cubos, cada uno de solo 50 nanómetros de tamaño. (Un cabello humano tiene unos 80.000 nanómetros de ancho).
Luego, los investigadores hacen una plantilla en forma de una superficie flexible cubierta con guías o trampas del tamaño de nanopartículas, dispuestas en la forma deseada para que las nanopartículas tomen. Después de agregar una gota de solución de nanopartículas a la plantilla, utilizan dos fuerzas a nanoescala para obligar a las partículas a colocarse en la posición correcta. Luego, las nanopartículas se transfieren a cualquier superficie.
En la nanoescala, otras fuerzas se vuelven dominantes (al igual que la gravedad es una fuerza dominante en la macroescala). Las fuerzas capilares son dominantes cuando las nanopartículas están en líquido y las fuerzas de van der Waals son dominantes en la interfaz entre las nanopartículas y la superficie sólida con la que están en contacto. Cuando los investigadores agregan una gota de líquido y la arrastran a través de la plantilla, las fuerzas capilares mueven las nanopartículas hacia la trampa deseada, colocándolas exactamente en el lugar correcto. Una vez que el líquido se seca, las fuerzas de van der Waals mantienen estas nanopartículas en su lugar.
«Estas fuerzas son omnipresentes y, a menudo, pueden ser perjudiciales cuando se trata de fabricar objetos a nanoescala, ya que pueden hacer que las estructuras colapsen cuando las cosas se manipulan a nanoescala». dice Zhu.
Diseñan las guías de plantilla del tamaño y la forma correctos, y en la disposición correcta para que las fuerzas trabajen juntas para alinear las partículas. Luego, las nanopartículas se imprimen en las superficies sin necesidad de solventes, tratamientos superficiales o altas temperaturas. Esto mantiene las superficies impecables y las propiedades intactas mientras que son posibles rendimientos superiores al 95 por ciento. Para promover esta transferencia, las fuerzas de la superficie deben diseñarse de modo que las fuerzas de van der Waals sean lo suficientemente fuertes como para hacer que las partículas se desprendan constantemente de la plantilla y se adhieran a la superficie receptora cuando entren en contacto.
Formas únicas, diversos materiales, procesamiento escalable
Utilizando esta técnica, el equipo dispuso nanopartículas en formas aleatorias, como letras del alfabeto, y luego las transfirió a silicio con una precisión posicional muy alta. El método también funciona con nanopartículas que tienen otras formas, como esferas, y con varios tipos de materiales. Y puede transferir nanopartículas de manera efectiva a varias superficies, como oro o incluso sustratos flexibles para estructuras y dispositivos eléctricos y ópticos de próxima generación.
Su enfoque también es escalable, por lo que puede extenderse para fabricar dispositivos reales.
Niroui y sus colegas ahora están trabajando para usar este enfoque para crear estructuras aún más complejas e integrarlas con otros materiales a nanoescala para desarrollar nuevos tipos de dispositivos electrónicos y ópticos.
Este trabajo fue apoyado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y el Programa de Becas de Investigación para Graduados de la NSF.
Fuente: https://web.mit.edu/
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