Uma nova classe de materiais para padrões em nanoescala

Os pesquisadores desenvolveram uma forma de alternar entre “blocos” de dois tipos de polímeros com comprimentos precisos. Esses “copolímeros multibloco” formam espontaneamente estruturas em camadas e cilíndricas (esquerda), que podem ser usadas para nanopadrões, uma forma de fabricar componentes microscópicos. Os pesquisadores também demonstraram uma estrutura de “giroide duplo” (à direita), que poderia ser usada para modelos de nanopadrões mais complicados. Crédito:Universidade da Pensilvânia

Os componentes microscópicos que compõem os chips de computador devem ser feitos em escalas impressionantes. Com bilhões de transistores em um único processador, cada um feito de vários materiais cuidadosamente organizados em padrões tão finos quanto uma fita de DNA, suas ferramentas de fabricação também devem operar em nível molecular.
Normalmente, essas ferramentas envolvem o uso de estênceis para padronizar ou remover seletivamente materiais com alta fidelidade, camada após camada, para formar dispositivos eletrônicos em nanoescala. Mas como os chips devem se encaixar em mais e mais componentes para acompanhar as crescentes demandas computacionais do mundo digital, esses estênceis de nanopadrões também devem se tornar menores e mais precisos.

Agora, uma equipe de engenheiros da Penn demonstrou como uma nova classe de polímeros poderia fazer exatamente isso. Em um novo estudo, os pesquisadores demonstraram como os copolímeros "multibloco" podem produzir padrões excepcionalmente ordenados em filmes finos, alcançando espaçamentos menores que três nanômetros.

A equipe, liderada por Karen Winey, Harold Pender Professor nos Departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais e Engenharia Química e Biomolecular, e Jinseok Park, estudante de pós-graduação em seu laboratório, publicaram essas descobertas na revista ACS Central Science eu> . Eles colaboraram com Anne Staiger e o professor Stefan Mecking da Universidade de Konstanz, Alemanha.

Os estênceis usados na fabricação de chips têm padrões em nanoescala que podem ser produzidos por uma variedade de métodos. Por exemplo, linhas finas e pequenos pontos podem ser produzidos por uma técnica conhecida como automontagem direcionada (DSA), em que a química do polímero é projetada de forma a produzir automaticamente a geometria desejada.

Os métodos atuais de DSA usam copolímeros "dibloco", nomeados por terem dois longos blocos de polímeros diferentes ligados de ponta a ponta, que então se montam para produzir os padrões necessários.

A estrutura de giroide duplo ainda não é usada em nanopadrões, mas pode permitir projetos mais complexos. Crédito:Universidade da Pensilvânia

"Quando a fotolitografia não podia ser menor, o DSA com copolímeros dibloco tornou-se importante", diz Winey. "Mas obter as linhas ou pontos que você precisa para nanopadrões requer que ambos os blocos tenham comprimentos específicos, e isso ainda é algo difícil de controlar com precisão."

Sem a proporção correta de comprimentos, os blocos em um copolímero bibloco formam linhas ou pontos com alguma variabilidade em suas dimensões, diminuindo sua utilidade como estênceis.

Juntos, os pesquisadores de Penn e Konstanz criaram uma maneira de controlar com mais precisão essa proporção. Em vez de colar dois grandes blocos de polímeros diferentes, eles usam uma técnica conhecida como "polimerização de crescimento em etapas" para alternar perfeitamente entre dois blocos menores.

"Comparados ao dibloco", diz Winey, "esses copolímeros multibloco oferecem uma gama mais ampla de químicas e maior controle molecular. Isso porque cada bloco A e cada bloco B têm exatamente o mesmo comprimento, o que produzirá maior uniformidade no padrão. "

Uma diferença crítica que essa uniformidade pode fazer é a capacidade do polímero de se montar mais facilmente em uma "estrutura de duplo giroide co-contínua" dentro de um filme fino. Esse arranjo é particularmente útil para controlar as propriedades de transporte, pois separa as regiões polares e apolares dos polímeros.

"O domínio carregado contínuo pode promover a condutividade de espécies carregadas ou polares, como água ou íons, e o domínio não polar contínuo fornece resistência mecânica", diz Winey.

Os pesquisadores agora estão investigando a melhor forma de converter essas estruturas de filmes finos em estênceis de nanopadrões funcionais, bem como desenvolver uma biblioteca de diferentes químicas de copolímeros multibloco que podem formar estruturas de giroide duplo. + Explorar mais