Функциональность устройств можно будет поменять, просто меняя наноматериалы и не влияя на процесс
Квантовые точки (красные), углеродные нанотрубки (серые) и нанолисты дисульфида молибдена (серо-белые) – соответственно, представители наноматериалов классов 0D, 1D и 2D, которые можно собирать в крупных масштабах при помощи метода размещения, основанного на графене с вспомогательным электрическим полем.
Четыре года назад компания IBM объявила, что за последующие пять лет она собирается инвестировать $3 млрд в будущее наноэлектроники в рамках обширного проекта «7 нм и за их пределами» [7nm and Beyond]. По крайней мере, один из крупных производителей чипов, GlobalFoundries упёрся в стену 7нм-процесса, а IBM стремится пройти дальше, используя графен для размещения наноматериалов в определённых местах без химического загрязнения.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, описано, как учёные из IBM впервые наэлектризовали графен таким образом, что он помог расположить наноматериалы с 97% точностью.
«Поскольку этот метод работает с широким разнообразием наноматериалов, мы представляем себе интегрированные устройства с функциональностью, основанной на уникальных физических свойствах наноматериала», — сказал Матиас Штайнер, менеджер бразильского отделения IBM Research. «Мы также можем представить себе детекторы и излучатели света на чипе, обладающие определённой длиной волны, определяемой оптическими свойствами наноматериала».
В качестве примера Штайнер пояснил, что если вам необходимо изменить спектральные свойства оптоэлектронного устройства, вы просто сможете заменить наноматериал, оставив весь остальной производственный процесс без изменений. Если продолжить развитие этого метода ещё дальше, то можно будет собирать разные наноматериалы в разных местах за несколько проходов сборочной линии, и создавать детекторы света, работающие в разных частотных окнах одновременно".
Процесс можно описать, как гибридный, объединяющий подходы «сверху вниз» [top-down] и «снизу вверх» [bottom-up], согласно Майклу Ингелю, члена исследовательской команды бразильского подразделения. Пару лет назад в IBM создали один из таких гибридных процессов, комбинировавших технологии производства «сверху вниз» – такие, как литография – с технологиями «снизу вверх», «выращивающими» электронику через самосборку.
Ингель объяснил, что первым шагом гибридного процесса служит выращивание графена напрямую на подложке, на которой происходит сборка наноматериала. В проведённой компанией демонстрации использовался графен на карбиде кремния. Ингель отметил, что также возможно выращивать графен и на других материалах, например, на меди, а затем отслаивать его и размещать на подложке из кремния или оксида кремния.
Следующий шаг – травление графена для определения мест расположения. Это делается на крупном масштабе и можно считать частью процесса по технологии «сверху вниз».
На третьем шаге используется технология «снизу вверх», в которой исследователи помещают слои графена в переменное электрическое поле, одновременно размещая сверху раствор наноматериала. Наноматериал просачивается вниз и оказывается между противоположными графеновыми электродами.
«Так что графен определяет расположение и обеспечивает ориентирование электрического поля и силу, затягивающую наноматериал для его направленной сборки», — сказал Ингель.
На четвёртом шаге графеновые электроды вытравливаются, и производятся дополнительные производственные операции по интеграции электроники или оптоэлектронных устройств.
До этого самым передовым методом было использование металлических электродов, которые сложно удалить, и которые ограничивают эффективность устройства и потенциал интеграции. «Мы считаем, что крупнейший прорыв в этой работе – это расположение „снизу вверх“ широкого спектра наноматериалов с разрешением нанометровых масштабов на куда как более крупных участках миллиметровых размеров, и с легко удаляемыми электродами, — сказал Штайнер. – Графеновые электроды обеспечивают прекрасное выравнивание и плотность наноматериала, ограничивают взаимодействие с химикатами, и позволяют избежать металлических линий, что в результате приводит к превосходной эффективности устройства».
Этот процесс не сможет быстро помочь выполнению закона Мура. Одна из крупнейших проблем, согласно Ингелю – это использование растворов наноматериалов на производстве промышленных масштабов. «Это потребует прогресса в вопросе стандартизации растворов наноматериалов для достижения повторяемых и постоянных результатов, а также адаптации метода с вспомогательным электрическим полем к использованию в процессах изготовления подложек», — сказал Ингель.
И хотя вопрос стандартизации наноматериалов компания IBM не решит, исследователи продолжают работать над технологией, интегрируя различные наноматериалы, чтобы модифицировать в соответствии с разными требованиями такие интегрированные микросхемы, как, к примеру, электрические инверторы или кольцевые генераторы. Также исследователи разрабатывают световые излучатели и детекторы на чипе, спектральные свойства которых определяются использовавшимся наноматериалом.
