Một loại vật liệu mới để tạo cấu trúc ở kích thước nano

Các thành phần siêu nhỏ tạo nên chip máy tính phải được chế tạo với quy mô đáng kinh ngạc. Với hàng tỷ bóng bán dẫn trong một bộ xử lý, mỗi bóng bán dẫn được làm từ nhiều vật liệu được sắp xếp cẩn thận theo các mô hình mỏng như một sợi DNA, các công cụ sản xuất của chúng cũng phải hoạt động ở cấp độ phân tử.

 

Thông thường, các công cụ này liên quan đến việc sử dụng khuôn để tạo mẫu hoặc loại bỏ các vật liệu có độ chính xác cao, lớp này sang lớp khác, để tạo thành các thiết bị điện tử kích thước nano. Nhưng khi các con chip ngày càng phải vừa khít với nhiều linh kiện hơn để theo kịp với nhu cầu tính toán ngày càng tăng của thế giới kỹ thuật số, thì những khuôn tạo cấu trúc nano (nanopatterning) này cũng phải trở nên nhỏ hơn và chính xác hơn.

 

Giờ đây, một nhóm Kỹ sư Penn đã chứng minh cách một loại polymer mới có thể làm được điều đó. Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã chứng minh cách các chất đồng trùng hợp đa khối (multiblock copolymer) có thể tạo ra các cấu trúc đặc biệt có trật tự trong các màng mỏng, đạt được khoảng cách nhỏ hơn ba nanomet.

 

Nhóm nghiên cứu, do Karen Winey, Giáo sư Harold Pender tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và Kỹ thuật Hóa học và Phân tử, và Jinseok Park, một nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của cô dẫn đầu, đã công bố những phát hiện này trên tạp chí ACS Central Science. Họ đã hợp tác với Anne Staiger và Giáo sư Stefan Mecking của Đại học Konstanz, Đức.

 

 

Khuôn được sử dụng để chế tạo chip có các mẫu kích thước nano có thể được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau. Ví dụ, các đường mảnh và các chấm nhỏ có thể được tạo ra bằng một kỹ thuật được gọi là tự lắp ráp có hướng (DSA), trong đó hóa học polyme được thiết kế để nó tự động tạo ra hình dạng mong muốn.

 

Các phương pháp DSA hiện tại sử dụng đồng trùng hợp hai khối (copolymer diblock), được đặt tên vì có hai khối dài gồm các polyme khác nhau được liên kết từ đầu đến cuối, sau đó lắp ráp lại để tạo ra các mẫu cần thiết.

 

 

“Khi quang khắc không thể nhỏ hơn nữa, DSA với chất đồng trùng hợp diblock trở nên quan trọng.”, Winey nói. “Nhưng để có được các đường hoặc chấm bạn cần để tạo cấu trúc nano “nanopatterning” đòi hỏi cả hai khối phải có độ dài cụ thể và đó vẫn là điều khó kiểm soát chính xác.”

 

Nếu không có tỷ lệ chiều dài chính xác, các khối trong đồng trùng hợp hai khối (copolymer diblock) tạo thành các đường hoặc chấm với một số thay đổi về kích thước của chúng, làm giảm tính hữu dụng của chúng dưới dạng khuôn.

 

Các nhà nghiên cứu của Penn và Konstanz đã cùng nhau tìm ra cách để kiểm soát chính xác hơn tỷ lệ này. Thay vì dán hai khối lớn polyme khác nhau vào đầu cuối, họ sử dụng một kỹ thuật được gọi là “trùng hợp tăng trưởng từng bước” để xen kẽ hoàn hảo giữa hai khối nhỏ hơn.

 

“So với hai khối (diblock)”, Winey nói, “những đồng trùng hợp đa khối (multiblock copolymer) này cung cấp phạm vi hóa học rộng hơn và khả năng kiểm soát phân tử tốt hơn. Đó là bởi vì mọi khối A và mọi khối B đều có cùng độ dài, điều này sẽ tạo ra sự đồng nhất cao hơn trong kiểu mẫu. “

 

Một khác biệt quan trọng mà tính đồng nhất này có thể tạo ra là khả năng polyme tự lắp ráp dễ dàng hơn thành “cấu trúc double gyroid đồng liên tục” trong một màng mỏng. Sự sắp xếp này đặc biệt hữu ích để kiểm soát các thuộc tính vận chuyển, vì nó phân tách các vùng cực và không cực của polyme.

 

“Miền tích điện liên tục có thể thúc đẩy khả năng dẫn điện hoặc các loại phân cực, như nước hoặc ion, và miền không phân cực liên tục cung cấp độ bền cơ học”, Winey cho biết. 

 

Các nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu cách chuyển đổi tốt nhất các cấu trúc màng mỏng này thành khuôn tạo cấu trúc nano (nanopatterning) chức năng, cũng như phát triển một thư viện các hóa chất đồng trùng hợp đa khối (multiblock copolymer) khác nhau có thể tạo thành cấu trúc bề mặt cực tiểu tuần hoàn liên kết vô hạn kép “double gyroid”.

 

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia thông qua các khoản tài trợ DMR-1904767 và dự án PRICON của Quỹ Baden-Württemberg. Các nhà nghiên cứu có thể phân tích các cấu trúc này bằng cách sử dụng thiết bị Tán xạ tia X có nguồn bức xạ kép và môi trường mẫu (DEXS) được đặt trong Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Cấu trúc của Vật chất của trường Đại học Penn, DMR-17-20530.

 

Tác giả: Evan Lerner

Nguyễn Tiến Dũng dịch

Nguồn:

https://phys.org/news/2022-03-class-materials-nanoscale-patterning.html

 

https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineering-opens-the-door-for-a-new-class-of-polymers-that-can-improve-nanopatterning/

 

[1] Gyroid: https://en.wikipedia.org/wiki/Gyroid

https://www.msri.org/publications/sgp/jim/models/copolymers/morphologies/index.html

 

Tìm hiểu thêm thiết bị tán xạ tia X được sử dụng cho ứng dụng trên tại đây!

 

Công bố trên tạp chí: Jinseok Park, Anne Staiger, Stefan Mecking, and Karen I. Winey, Ordered Nanostructures in Thin Films of Precise Ion-Containing Multiblock Copolymers, ACS Central Science (2022). DOI: 10.1021/acscentsci.1c01594