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Pesquisadores do MIT desenvolveram uma técnica para controlar com precisão o arranjo e a colocação de nanopartículas em um material, como o silício usado em chips de computador, de forma que não danifique ou contamine a superfície do material.
A técnica, que combina processos de química e montagem direcionada com técnicas convencionais de fabricação, permite a formação eficiente de recursos em nanoescala de alta resolução integrados a nanopartículas para dispositivos como sensores, lasers e LEDs, o que pode aumentar seu desempenho.
Transistores e outros dispositivos em nanoescala são normalmente fabricados de cima para baixo – os materiais são gravados para alcançar o arranjo desejado de nanoestruturas. Mas criar as menores nanoestruturas, que podem permitir o mais alto desempenho e novas funcionalidades, requer equipamentos caros e continua difícil de ser feito em escala e com a resolução desejada.
Uma maneira mais precisa de montar dispositivos em nanoescala é de baixo para cima. Em um esquema, os engenheiros usaram a química para “crescer” nanopartículas em solução, soltar essa solução em um modelo, organizar as nanopartículas e depois transferi-las para uma superfície. No entanto, esta técnica também envolve grandes desafios. Primeiro, milhares de nanopartículas devem ser organizadas no modelo de forma eficiente. E transferi-los para uma superfície normalmente requer uma cola química, grande pressão ou altas temperaturas, o que pode danificar as superfícies e o dispositivo resultante.
Os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova abordagem para superar essas limitações. Eles usaram as forças poderosas que existem em nanoescala para organizar eficientemente as partículas em um padrão desejado e depois transferi-las para uma superfície sem produtos químicos ou altas pressões e em temperaturas mais baixas. Como o material da superfície permanece intacto, essas estruturas em nanoescala podem ser incorporadas em componentes para dispositivos eletrônicos e ópticos, onde até mesmo pequenas imperfeições podem prejudicar o desempenho.
“Esta abordagem permite que você, através da engenharia de forças, coloque as nanopartículas, apesar de seu tamanho muito pequeno, em arranjos determinísticos com resolução de partícula única e em diversas superfícies, para criar bibliotecas de blocos de construção em nanoescala que podem ter propriedades muito únicas, seja são suas interações luz-matéria, propriedades eletrônicas, desempenho mecânico, etc. “, diz Farnaz Niroui, o EE Landsman Career Development Professor Assistente de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) no MIT, membro do MIT Research Laboratory of Electronics , e autor sênior em um novo artigo descrevendo o trabalho. “Ao integrar esses blocos de construção com outras nanoestruturas e materiais, podemos obter dispositivos com funcionalidades únicas que não seriam prontamente viáveis se usássemos apenas as estratégias convencionais de fabricação de cima para baixo”.
A pesquisa é publicada em Avanços da ciência. Os co-autores de Niroui são o autor principal Weikun “Spencer” Zhu, um estudante de pós-graduação do Departamento de Engenharia Química, bem como os estudantes de pós-graduação da EECS Peter F. Satterthwaite, Patricia Jastrzebska-Perfect e Roberto Brenes.
Use as forças
Para iniciar seu método de fabricação, conhecido como impressão de contato com nanopartículas, os pesquisadores usam a química para criar nanopartículas com tamanho e forma definidos em uma solução. A olho nu, isso parece um frasco de líquido colorido, mas o zoom com um microscópio eletrônico revelaria milhões de cubos, cada um com apenas 50 nanômetros de tamanho. (Um cabelo humano tem cerca de 80.000 nanômetros de largura.)
Os pesquisadores então fazem um modelo na forma de uma superfície flexível coberta com guias do tamanho de nanopartículas, ou armadilhas, que são organizadas na forma que desejam que as nanopartículas tomem. Depois de adicionar uma gota de solução de nanopartículas ao modelo, eles usam duas forças de nanoescala para mover as partículas para a posição correta. As nanopartículas são então transferidas para superfícies arbitrárias.
Na nanoescala, diferentes forças se tornam dominantes (assim como a gravidade é uma força dominante na macroescala). As forças capilares são dominantes quando as nanopartículas estão em líquido e as forças de van der Waals são dominantes na interface entre as nanopartículas e a superfície sólida com a qual estão em contato. Quando os pesquisadores adicionam uma gota de líquido e a arrastam pelo modelo, as forças capilares movem as nanopartículas para a armadilha desejada, colocando-as precisamente no local certo. Uma vez que o líquido seca, as forças de van der Waals mantêm essas nanopartículas em posição.
“Essas forças são onipresentes e muitas vezes podem ser prejudiciais quando se trata da fabricação de objetos em nanoescala, pois podem causar o colapso das estruturas. Mas podemos encontrar maneiras de controlar essas forças com muita precisão para usá-las para controlar como as coisas são manipuladas em nanoescala”, diz Zhu.
Eles projetam as guias do modelo para ter o tamanho e a forma corretos e no arranjo precisamente adequado para que as forças trabalhem juntas para organizar as partículas. As nanopartículas são então impressas em superfícies sem a necessidade de solventes, tratamentos de superfície ou altas temperaturas. Isso mantém as superfícies intactas e as propriedades intactas, permitindo rendimentos de mais de 95%. Para promover essa transferência, as forças de superfície precisam ser projetadas para que as forças de van der Waals sejam fortes o suficiente para promover consistentemente a liberação de partículas do molde e a fixação na superfície receptora quando colocadas em contato.
Formas únicas, diversos materiais, processamento escalável
A equipe usou essa técnica para organizar nanopartículas em formas arbitrárias, como letras do alfabeto, e depois as transferiu para o silício com precisão de posição muito alta. O método também trabalha com nanopartículas que possuem outros formatos, como esferas, e com diversos tipos de materiais. E pode transferir nanopartículas de forma eficaz para diferentes superfícies, como ouro ou até substratos flexíveis para estruturas e dispositivos elétricos e ópticos de próxima geração.
Sua abordagem também é escalável, portanto, pode ser estendida para ser usada na fabricação de dispositivos do mundo real.
Niroui e seus colegas estão agora trabalhando para alavancar essa abordagem para criar estruturas ainda mais complexas e integrá-las a outros materiais em nanoescala para desenvolver novos tipos de dispositivos eletrônicos e ópticos.
Este trabalho foi apoiado, em parte, pela National Science Foundation (NSF) e pelo NSF Graduate Research Fellowship Program.
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