Des chercheurs de Columbia Engineering ont pour la première fois utilisé l’ADN pour créer des dispositifs électroniques opérationnels en 3D avec des caractéristiques de taille nanométrique.
« Le passage de la 2D à la 3D peut augmenter considérablement la densité et la puissance de calcul de l’électronique », a indiqué l’auteur correspondant, Oleg Gang, professeur de génie chimique, de physique appliquée et de science des matériaux à Columbia Engineering et chef du groupe des nanomatériaux mous et biologiques du Center for Functional Nanomaterials (Centre des nanomatériaux fonctionnels) au Brookhaven National Laboratory.
La nouvelle technique de fabrication pourrait également contribuer à l’effort actuel de développement de systèmes d’intelligence artificielle directement inspirés de l’intelligence naturelle.
« Les architectures électroniques 3D qui imitent la structure 3D naturelle du cerveau pourraient s’avérer beaucoup plus efficaces pour faire fonctionner des systèmes d’intelligence artificielle imitant le cerveau que les architectures 2D existantes », a déclaré M. Gang. Les chercheurs ont présenté leurs conclusions le 28 mars dans la revue Science Advances.
De la gravure au pliage
L’électronique conventionnelle repose sur des circuits plats. Afin d’accroître la puissance des micropuces, des chercheurs du monde entier expérimentent des approches permettant de les construire en trois dimensions.
Toutefois, les techniques actuelles de fabrication électronique sont de nature descendante : un morceau de matériau est progressivement érodé, par exemple par un faisceau d’électrons, jusqu’à ce que la structure souhaitée soit obtenue, comme si l’on sculptait un bloc de pierre. Ces méthodes ont rencontré des problèmes pour fabriquer des dispositifs en 3D lorsqu’il s’agit de créer des structures complexes et de le faire de manière rentable. Par exemple, elles rencontrent des difficultés pour assembler plusieurs couches de circuits qui s’empilent correctement. « Au cours des centaines d’étapes de la production, les erreurs s’accumulent et sont prohibitives du point de vue de la performance et du coût », a déclaré M. Gang.
Une façon différente de construire un système 3D consiste à partir de la base, où de nombreux composants s’auto-assemblent pour former des structures complexes. Des chercheurs de Columbia Engineering ont mis au point une nouvelle méthode ascendante d’inspiration biologique pour que l’électronique 3D se construise d’elle-même. La clé de cette nouvelle technique est la façon dont les brins d’ADN peuvent se plier pour former des formes – ce que l’on appelle l’origami. Ces blocs de construction, appelés cadres, sont ensuite utilisés pour assembler des structures 3D à grande échelle, appelées charpentes, avec une précision nanométrique.
L’ADN est constitué de chaînes de quatre types de molécules différentes, désignées par les lettres A, T, C et G. Ces molécules se collent les unes aux autres de manière très spécifique – A à T et C à G. En concevant plusieurs molécules avec les bonnes séquences, les chercheurs peuvent faire en sorte que de longs brins d’ADN se plient d’eux-mêmes pour former des formes 2D ou 3D. Des fragments d’ADN agrafés sur ces brins maintiennent ensuite les motifs pliés en place.
Construction du prototype
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Dans la nouvelle étude, Aaron Michelson, premier auteur de l’étude, scientifique au Centre pour les nanomatériaux fonctionnels du Brookhaven National Laboratory, qui était auparavant doctorant dans le groupe de Gang, ainsi que Gang et leurs collègues, ont déposé des réseaux de carrés d’or sur une surface, sur laquelle ils ont pu attacher de courts morceaux d’ADN. Ces molécules ont servi d’ancres auxquelles ils ont pu fixer des cadres d’ADN octaédriques en forme de diamant à huit côtés qui s’auto-assemblent en cadres 3D à ces endroits spécifiques de la surface.
« Ces réseaux d’or avec des brins d’ADN ancrés favorisent la croissance d’échafaudages d’ADN en 3D sur des zones désignées selon des modèles et des orientations souhaités, ce qui nous permet d’établir et d’intégrer cet ADN sur une plaquette électronique », a ajouté M. Gang.
(A) Schéma de la croissance sélective de super-réseaux d’ADN sur des plaquettes d’or (jaunes) fonctionnalisées avec des brins d’ADN (verts et rouges). Un substrat de silicium à motifs d’or immobilise des brins d’ADN avec des interactions complémentaires codées en utilisant la chimie or-thiol, suivie de l’hybridation de cadres d’origami cibles sur les zones spécifiques de la surface et de l’assemblage du treillis. La synthèse sol-gel sur une surface de substrat de silicium à motifs est utilisée pour le modelage en silice des structures formées. (B) En haut, image au microscope optique de la croissance épitaxiale d’un super-réseau à partir d’une ligne d’or fonctionnalisée par de l’ADN. En bas, diagramme de fréquence des nucléates de l’image ci-dessus comptant le nombre de cristaux dans chaque colonne. Annoté sur le tracé sont deux fenêtres de 60 μm de large correspondant à la région de déplétion. Barre d’échelle, 50 μm. (C) Cristaux de super-réseaux d’ADN cultivés à travers un motif de 10 mm par 10 mm de tampons d’or, sous faible grossissement. Barre d’échelle, 500 μm. (D) Image au microscope optique du réseau de plaques d’or de 5 μm par 5 μm sur silicium avec un super-réseau d’ADN auto-assemblé templé à la silice, composé de domaines singuliers et polycristallins. (E) Vue agrandie du nano-réseau (dans la région verte en pointillés) cultivé sur un tampon (région rouge en pointillés).
Les chercheurs, en collaboration avec le groupe du professeur Vald Pribiag de l’université du Minnesota, ont ensuite recouvert ces échafaudages d’ADN d’oxyde de silicium, les ont recouverts d’oxyde d’étain semi-conducteur et ont connecté des électrodes à chaque structure. Le résultat : des capteurs de lumière qui réagissent électriquement lorsqu’ils sont éclairés.
« Nous avons démontré que nous pouvions non seulement créer des structures 3D à partir de l’ADN, mais aussi les intégrer dans des micropuces dans le cadre du processus de fabrication des appareils électroniques », a dit le professeur M. Gang. « Nous pouvons placer des milliers de ces structures à des endroits spécifiques sur des tranches de silicium de manière évolutive. Cela démontre que nous pouvons changer radicalement la façon dont nous fabriquons des dispositifs électroniques complexes en 3D ».
« Pendant longtemps, nous avons travaillé sur les phénomènes susceptibles d’aider à construire un dispositif électronique auto-assemblé », a t-il également commenté. « Il est passionnant de pouvoir maintenant démontrer ces idées futuristes et de fabriquer un dispositif opérationnel à l’aide de ces processus de fabrication ascendants ».
À l’avenir, M. Gang et ses collègues aimeraient utiliser leur nouvelle méthode pour créer des dispositifs électroniques plus complexes en utilisant plus d’un matériau. « Le prochain rêve est de créer des circuits en 3D », a-t-il conclu.
Légende illustration : Dispositif nanostructuré 3D intégré dans une puce et fabriqué à l’aide de l’auto-assemblage de l’ADN (panneau de gauche). Un cristal d’ADN est cultivé à un endroit précis du substrat (environ 1000 cristaux sur des pastilles de 5μm sont montrés sur le panneau de droite), puis minéralisé en silice et modelé volumétriquement avec un matériau semi-conducteur avant que les électrodes ne soient fixées (panneau central). Le dispositif résultant présente une réponse électrique lorsqu’il est exposé à la lumière. Des milliers de dispositifs 3D de ce type peuvent être produits en parallèle grâce à cette approche de fabrication ascendante. (Centre pour les nanomatériaux fonctionnels)
Article: « Scalable fabrication of Chip-integrated 3D-nanostructured electronic devices via DNA-programmable assembly » – DOI: 10.1126/sciadv.adt5620
