연구원들은 자가 조립 전자 장치를 시연합니다

연구자들은 전자 장치를 자체 조립하는 새로운 기술을 시연했습니다. 개념 증명 작업은 다이오드와 트랜지스터를 만드는 데 사용되었으며, 기존 컴퓨터 칩 제조 기술에 의존하지 않고도 더 복잡한 전자 장치를 자체 조립할 수 있는 길을 열었습니다.

"기존 칩 제조 기술은 여러 단계를 거치고 매우 복잡한 기술에 의존하기 때문에 공정 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸립니다." 노스캐롤라이나 주립 대학의 재료 과학 및 공학 교수이자 이 연구에 대한 논문의 책임 저자인 마틴 투오는 이렇게 말합니다. "저희의 자체 조립 방식은 훨씬 빠르고 저렴합니다. 또한 이 공정을 사용하여 반도체 재료의 밴드갭을 조정하고 재료를 빛에 반응하게 만들 수 있음을 입증했습니다. 즉, 이 기술을 사용하여 광전자 장치를 만들 수 있습니다.

"게다가, 현재의 제조 기술은 수율이 낮아서 사용할 수 없는 결함이 있는 칩을 비교적 많이 생산합니다. 우리의 접근 방식은 수율이 높아서 어레이를 더 일관되게 생산하고 낭비를 줄일 수 있습니다."

Thuo는 새로운 자체 조립 기술을 지향성 금속-리간드(D-Met) 반응이라고 부릅니다. 작동 방식은 다음과 같습니다.

액체 금속 입자로 시작합니다. 연구자들은 개념 증명 작업을 위해 인듐, 비스무트, 주석의 합금인 필드 금속을 사용했습니다. 액체 금속 입자는 어떤 크기나 패턴으로든 만들 수 있는 몰드 옆에 놓습니다. 그런 다음 용액을 액체 금속에 붓습니다. 용액에는 탄소와 산소로 구성된 리간드라고 하는 분자가 들어 있습니다. 이러한 리간드는 액체 금속 표면에서 이온을 수확하여 특정 기하학적 패턴으로 유지합니다. 용액은 액체 금속 입자를 가로질러 흐르고 몰드로 끌어당겨집니다.

용액이 몰드로 흘러들면서 이온을 함유하는 리간드가 더 복잡한 3차원 구조로 조립되기 시작합니다. 한편, 용액의 액체 부분은 증발하기 시작하여 복잡한 구조가 점점 더 가까이 모여 배열을 이룹니다.

"금형이 없다면 이러한 구조는 다소 혼란스러운 패턴을 형성할 수 있습니다." Thuo가 말합니다. "하지만 솔루션이 금형에 의해 제한되기 때문에 구조는 예측 가능하고 대칭적인 배열로 형성됩니다."

구조가 원하는 크기에 도달하면 몰드를 제거하고 배열을 가열합니다. 이 열은 리간드를 분해하여 탄소와 산소 원자를 자유롭게 합니다. 금속 이온은 산소와 상호 작용하여 반도체 금속 산화물을 형성하는 반면 탄소 원자는 그래핀 시트를 형성합니다. 이러한 성분은 그래핀 시트에 싸인 반도체 금속 산화물 분자로 구성된 잘 정렬된 구조로 스스로 조립됩니다. 연구자들은 이 기술을 사용하여 나노스케일 및 마이크로스케일 트랜지스터와 다이오드를 만들었습니다.

"그래핀 시트는 반도체의 밴드갭을 조절하는 데 사용할 수 있으며, 그래핀의 품질에 따라 반도체의 반응성을 높이거나 낮출 수 있습니다." 논문의 주저자이자 NC State의 박사후 연구원인 줄리아 창의 말입니다.

또한 연구자들은 개념 증명 작업에 비스무트를 사용했기 때문에 광 반응형 구조를 만들 수 있었습니다. 이를 통해 연구자들은 빛을 사용하여 반도체의 속성을 조작할 수 있습니다.

"D-Met 기술의 특성상 이러한 소재를 대규모로 만들 수 있습니다. 사용하는 금형의 크기에 의해서만 제한을 받습니다." Thuo가 말했습니다. "또한 용액에 사용된 액체의 종류, 금형의 크기, 용액의 증발 속도를 조작하여 반도체 구조를 제어할 수도 있습니다.

"간단히 말해서, 우리는 기능성 전자 기기에 사용하기 위해 고도로 구조화되고, 고도로 조정 가능한 전자 재료를 자체 조립할 수 있다는 것을 보여주었습니다." Thuo가 말했습니다. "이 연구는 트랜지스터와 다이오드의 생성을 보여주었습니다. 다음 단계는 이 기술을 사용하여 3차원 칩과 같은 더 복잡한 기기를 만드는 것입니다."

"Guided Ad infinitum Assembly of Mixed-Metal Oxide Arrays from Liquid Metal" 이라는 논문은 저널 Materials Horizons 에 오픈 액세스로 게재되었습니다 . 이 논문의 첫 번째 저자는 NC State의 박사후 연구원인 Julia Chang입니다. 이 논문은 NC State의 박사후 연구원인 Andrew Martin, NC State의 박사 과정생인 Alana Pauls와 Dhanush Jamadgni, 그리고 Iowa State University의 Chuanshen Du, Le Wei, Thomas Ward, Meng Lu가 공동 저술했습니다.

Chang, Martin, Thuo는 D-Met 연구와 관련된 특허를 추구하고 있습니다. Chang, Ward, Du는 D-Met 연구와 관련된 별도의 특허를 출원 중입니다.

이 연구는 복잡 입자 시스템을 위한 국립 과학 재단 센터의 지원금 2243104로 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241202123718.htm