Trois métaux (indium, bismuth, étain) s’auto-assemblent en composants électroniques

Des chercheurs ont mis au point une nouvelle technique d’auto-assemblage de dispositifs électroniques. Cette démonstration a été utilisée pour créer des diodes et des transistors et ouvre la voie à l’auto-assemblage de dispositifs électroniques plus complexes sans dépendre des techniques actuelles de fabrication de puces électroniques.

« Les techniques actuelles de fabrication de puces comportent de nombreuses étapes et reposent sur des technologies extrêmement complexes, ce qui rend le processus coûteux et long », explique Martin Thuo, auteur correspondant d’un article sur ces travaux et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’université d’État de Caroline du Nord.

« Notre approche de l’auto-assemblage est nettement plus rapide et moins coûteuse. Nous avons également démontré que nous pouvions utiliser le processus pour ajuster la bande interdite des matériaux semi-conducteurs et pour rendre les matériaux sensibles à la lumière, ce qui signifie que cette technique peut être utilisée pour créer des dispositifs optoélectroniques. »

« De plus, les techniques de fabrication actuelles ont un faible rendement, ce qui signifie qu’elles produisent un nombre relativement important de puces défectueuses qui ne peuvent pas être utilisées. Notre approche est à haut rendement, c’est-à-dire qu’elle permet une production plus régulière des réseaux et une réduction des déchets ».

Martin Thuo appelle cette nouvelle technique d’auto-assemblage une réaction métal-ligand dirigée (D-Met). Voici comment cela fonctionne.

On commence par des particules de métal liquide. Pour leur démonstration de faisabilité, les chercheurs ont utilisé le métal de Field, un alliage d’indium, de bismuth et d’étain. Les particules de métal liquide sont placées à côté d’un moule, qui peut être fabriqué à n’importe quelle taille ou modèle. Une solution est ensuite versée sur le métal liquide. La solution contient des molécules appelées ligands, composées de carbone et d’oxygène. Ces ligands captent les ions de la surface du métal liquide et les retiennent selon un schéma géométrique spécifique. La solution s’écoule sur les particules de métal liquide et est aspirée dans le moule.

Au fur et à mesure que la solution s’écoule dans le moule, les ligands porteurs d’ions commencent à s’assembler pour former des structures tridimensionnelles plus complexes. Pendant ce temps, la partie liquide de la solution commence à s’évaporer, ce qui a pour effet de tasser les structures complexes de plus en plus près les unes des autres pour former un réseau.

« Sans le moule, ces structures peuvent former des motifs quelque peu chaotiques », précise M. Thuo. « Mais comme la solution est contrainte par le moule, les structures se forment en réseaux prévisibles et symétriques ».

Lorsqu’une structure a atteint la taille souhaitée, le moule est retiré et le réseau est chauffé. Cette chaleur brise les ligands, libérant les atomes de carbone et d’oxygène. Les ions métalliques interagissent avec l’oxygène pour former des oxydes métalliques semi-conducteurs, tandis que les atomes de carbone forment des feuilles de graphène. Ces ingrédients s’assemblent pour former une structure bien ordonnée composée de molécules d’oxyde métallique semi-conducteur enveloppées dans des feuilles de graphène. Les chercheurs ont utilisé cette technique pour créer des transistors et des diodes à l’échelle nanométrique et microscopique.

« Les feuilles de graphène peuvent être utilisées pour régler la bande interdite des semi-conducteurs, ce qui rend le semi-conducteur plus ou moins réactif, en fonction de la qualité du graphène », ajoute Julia Chang, premier auteur de l’article et chercheuse postdoctorale à NC State.

En outre, comme les chercheurs ont utilisé du bismuth dans leurs travaux de validation du concept, ils ont pu fabriquer des structures photoréactives. Cela permet aux chercheurs de manipuler les propriétés des semi-conducteurs à l’aide de la lumière.

« La nature de la technique D-Met permet de fabriquer ces matériaux à grande échelle, la seule limite étant la taille du moule utilisé », commente M. Thuo. « Il est également possible de contrôler les structures semi-conductrices en manipulant le type de liquide utilisé dans la solution, les dimensions du moule et le taux d’évaporation de la solution. »

« En bref, nous avons montré que nous pouvions auto-assembler des matériaux électroniques hautement structurés et hautement réglables pour les utiliser dans des dispositifs électroniques fonctionnels », détaille M. Thuo. « Ce travail a permis de créer des transistors et des diodes. La prochaine étape consistera à utiliser cette technique pour fabriquer des dispositifs plus complexes, tels que des puces tridimensionnelles. »

Légende illustration : Les modèles fabriqués par D-Met produisent des composants susceptibles d’être utilisés dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS). Crédit photo : Julia Chang.

Article : “Guided Ad infinitum Assembly of Mixed-Metal Oxide Arrays from Liquid Metal” – Auteurs : Julia J. Chang, Dhanush Jamadgni, Alana Pauls, Andrew Martin and Martin M. Thuo, North Carolina State University; Chuanshen Du, Le Wei, Thomas Ward and Meng Lu, Iowa State University – DOI: 10.1039/D4MH01177E