Uma técnica de fabricação que poderia ajudar a indústria de semicondutores a fazer chips de computador mais poderosos começou no mais humilde dos lugares - em uma mesa de almoço no Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

O método de síntese de materiais conhecido como síntese de infiltração sequencial, ou SIS, tem o potencial de melhorar não apenas a fabricação de chips, mas também coisas como armazenamento em disco rígido, eficiência da célula solar, superfícies anti-reflexas em óticas e pára-brisas de automóveis repelentes de água. Inventado em 2010 durante uma conversa na hora do almoço entre os cientistas da Argonne Seth Darling e Jeffrey Elam e dois de seus pesquisadores de pós-doutorado, o uso do método cresceu nos últimos anos.

O método foi baseado na discussão do grupo sobre a deposição da camada atômica, ou ALD, uma técnica de deposição de filme fino que usa vapores químicos alternados para cultivar materiais uma camada atômica por vez. Querida, diretor do Instituto de Engenharia Molecular em Argonne e o Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia de Materiais Avançados para Sistemas de Água e Energia, recentemente usou essa técnica para adicionar um revestimento de óxido de metal que adora água aos filtros usados ​​na indústria de petróleo e gás, o que evita que os filtros entupam.

Mas enquanto o grupo falava, eles começaram a especular sobre como levar ALD a um novo nível, disse querida.

"Nós dissemos, 'Não seria legal se pudéssemos cultivar um material dentro de outro material como um polímero (uma cadeia de muitas moléculas combinadas) em vez de sobre ele?' ", Disse Darling. trabalhar, ' mas, surpreendentemente, funcionou perfeitamente na primeira tentativa. Então começamos a imaginar todas as diferentes aplicações para as quais ele poderia ser usado. "

A pesquisa foi financiada pelo DOE Office of Science, Programa de Ciências da Energia Básica, bem como o Centro de Pesquisa de Energia Solar de Argonne-Northwestern, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia do DOE Office of Science.

SIS é semelhante a ALD em uma superfície de polímero, mas no SIS o vapor é difundido no polímero, e não em cima dele, onde se liga quimicamente ao polímero e, eventualmente, cresce para criar estruturas inorgânicas em toda a massa do polímero.

Usando esta técnica, os cientistas podem criar revestimentos robustos que podem ajudar a indústria de manufatura de semicondutores a criar recursos mais intrincados em chips de computador, permitindo que eles fiquem ainda menores ou adicionem armazenamento extra e outros recursos. Eles também podem personalizar a forma de vários metais, óxidos e outros materiais inorgânicos, aplicando-os a um polímero com SIS e, em seguida, removendo os restos do polímero.

"Você pode pegar um padrão em um polímero, expô-lo a vapores e transformá-lo de um material orgânico em um material inorgânico, "disse Elam, diretor do programa de pesquisa ALD da Argonne, referindo-se à forma como o método pode usar polímeros e um vapor para moldar basicamente um novo material com propriedades específicas. "É uma maneira de usar um padrão de polímero, e converter esse padrão em praticamente qualquer material inorgânico. "

O potencial da tecnologia vai além dos semicondutores. Pode ser usado para promover produtos em diferentes setores, e Argonne ficaria encantado em trabalhar com parceiros de comercialização que podem pegar a invenção e incorporá-la em produtos existentes ou inventar novas aplicações para beneficiar a economia dos EUA, disse Hemant Bhimnathwala, um executivo de desenvolvimento de negócios na Argonne.

"Você pode usar o SIS para criar um filme, você pode colocá-lo em um metal, você pode criá-lo em um vidro ou colocá-lo em um pára-brisa de vidro para torná-lo repelente à água a ponto de não precisar de limpadores, "Bhimnathwala disse.

A maneira como os cientistas inventaram a técnica - por meio daquele almoço - também foi um pouco incomum. Muitas vezes, novas descobertas acontecem por acidente, mas não geralmente cuspindo ideias durante o almoço, Elam disse.

"Ocasionalmente, se você está assistindo atentamente, você pode ver algo mais lá e descobrir algo novo e inesperado, - disse Elam. - Isso não acontece com muita frequência, mas quando isso acontecer, é ótimo."

A técnica também aborda uma preocupação específica na indústria de fabricação de semicondutores, colapso do padrão, o que significa o colapso de pequenos recursos usados ​​para criar componentes elétricos em um chip de computador, tornando-o inútil.

Quando um padrão é gravado em um chip de silício no processo de fabricação do chip, uma superfície resistente à corrosão é usada como uma camada protetora para mascarar as regiões que você não deseja remover. Mas os revestimentos resistentes à corrosão comumente usados ​​hoje se desgastam muito rapidamente, que impediu os fabricantes de chips de fazer componentes com recursos profundamente gravados, Querida disse.

Com SIS, revestimentos de vapor inorgânico podem ser projetados para fornecer maior proteção das características verticais, permitindo gravações mais profundas e a integração de mais componentes em cada chip.

"Os recursos dos chips ficaram extremamente pequenos lateralmente, mas às vezes você também quer torná-los altos, "Querida disse." Você não pode fazer uma característica alta se sua resistência for removida rapidamente, mas com SIS é fácil. "

De forma similar, a técnica pode ser usada para manipular a gravação magnética em discos rígidos ou outros dispositivos de armazenamento, permitindo que aumentem o armazenamento ao mesmo tempo que ficam menores, Querida disse.

Outra possibilidade para a tecnologia é controlar a quantidade de luz refletida em uma superfície de vidro ou plástico. Usando SIS, os cientistas podem projetar superfícies para serem quase inteiramente não reflexivas. Usando essa estratégia, os cientistas podem melhorar o desempenho das células solares, LEDs e até óculos.

"Também há muitas aplicações em eletrônica, "Elam disse." Você pode usá-lo para espremer mais memória em um espaço menor, or to build faster microprocessors. SIS lithography is a promising strategy to maintain the technological progression and scaling of Moore's Law."

The team's research on the technology has been published in the Journal of Materials Chemistry , a Journal of Physical Chemistry , Materiais avançados e a Journal of Vacuum Science &Technology B .

Argonne is looking for commercial partners interested in licensing and developing the technology for more specific uses. Companies interested in leveraging Argonne's expertise in SIS should contact [email protected] to learn more and discuss possible collaborations.