Un metodo Standard e affidabile per fabbricare nanoelettronica bidimensionale
28 agosto 2018
L'articolo mira a introdurre una procedura di fabbricazione standard e affidabile per lo sviluppo della futura basso nanoelettronica dimensionale.
Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della fabbricazione di dispositivi in materiale 2D, relative alle tecniche per localizzare con precisione i campioni di materiale 2D nella preparazione per le successive fasi di fabbricazione. Il vantaggio principale di questa tecnica è che è adattata allo sviluppo di dispositivi su piccola scala, per i quali trovare la posizione dei materiali è più difficile. A dimostrare la procedura saranno Po-Chun Chen e Kristan, assistenti di ricerca e studenti laureati del mio laboratorio.
Il processo di fabbricazione richiede due substrati preparati. Il primo è il biossido di silicio back-gated su silicio con array di pad in titanio e metallo dorato. Il secondo substrato è lo zaffiro con uno strato depositato di bisolfuro di molibdeno.
Portare il substrato di zaffiro con il bisolfuro di molibdeno a una centrifuga. Centrifugare il PMMA per coprire la parte superiore del bisolfuro di molibdeno a 3.500 giri/min per 30 secondi. Quindi, spostare il campione su una piastra calda e cuocerlo a 120 gradi Celsius per tre minuti per rafforzare il rivestimento in PMMA.
Quindi, preparare 50 millilitri di soluzione di ammoniaca. Immergere il campione per separare il bisolfuro di molibdeno dal substrato. Una volta che il film si è separato, rimuoverlo dalla soluzione di ammoniaca.
Trasferire il film di bisolfuro di molibdeno nel biossido di silicio sul substrato di silicio. Per migliorare l'adesione, cuocere il campione a 120 gradi Celsius per almeno 30 minuti. Recuperare il campione e metterlo in 30 millilitri di acetone.
Dopo circa 30 minuti, il PMMA verrà rimosso come indicato da un cambiamento di colore. Prima di procedere, sciacquare il campione in alcol isopropilico e utilizzare l'azoto per asciugarlo. Ora, preparati a eseguire la litografia a fascio di elettroni.
Utilizzare un microscopio ottico per misurare lo spostamento tra le posizioni target e i segni di allineamento sul campione. Sulla base di queste misurazioni, è possibile progettare il layout del modello di elettrodo metallico utilizzando il software. Spin coat Photo Resist sulla parte superiore del campione e assicurati che copra l'intero campione.
Passare alla cottura morbida del campione a 100 gradi Celsius per 90 secondi per migliorare l'adesione. Sulla macchina per litografia a fascio di elettroni, caricare il disegno e posizionare il campione. I segni di allineamento nel substrato di biossido di silicio devono corrispondere ai segni corrispondenti nel disegno.
Esporre il campione al fascio di elettroni. Al termine, portare il campione su una piastra calda. Riscaldare il campione a 120 gradi Celsius per 90 secondi in una cottura post-esposizione.
Quindi, tieni pronto un contenitore di TMAH come sviluppatore e immergi il campione per 80 secondi. Quindi, lavare il campione in 200 millilitri di acqua deionizzata per 10 secondi. Esaminare il campione con un microscopio ottico per determinare se il modello è ben sviluppato.
Se è ben sviluppato, cuocere il campione a 110 gradi Celsius per 90 secondi. Il passo successivo consiste nell'utilizzare un evaporatore a pistola elettronica per depositare 100 nanometri di oro sul campione. Dopo la deposizione, lavorare per rimuovere il Photo Resist.
Per sciogliere il Photo Resist, preparare 100 millilitri di acetone. Immergere il campione nell'acetone per eseguire il sollevamento. Monitora il processo con un microscopio ottico e fermati quando rimangono solo linee e piazzole metalliche.
Durante la caratterizzazione, scegliere una sorgente e un elettrodo di drenaggio tra quelli presenti nel dispositivo, quindi utilizzare un microscopio a forza anatomica per applicare un carico al campione. Qui le X indicano dove sono stati applicati i carichi. I carichi del microscopio a forza atomica provocano una deformazione di compressione sul dispositivo.
Ecco le caratteristiche della tensione di corrente del dispositivo al bisolfuro di molibdeno a diverse forze applicate che producono una deformazione di compressione. A una data tensione, la corrente del dispositivo diminuisce con l'aumentare della forza applicata e viceversa, indicando una variazione della resistenza del dispositivo, un comportamento che ci si aspetta per un sensore piezoelettrico. Questi dati si riferiscono alla risposta di corrente del dispositivo al bisolfuro di molibdeno per deformazioni di compressione ripetute a una tensione di polarizzazione fissa di un volt.
La corrente di uscita cambia a malapena con l'applicazione ripetuta di 10 nanonewton di forza applicata, suggerendo che il sensore è stabile. Una volta padroneggiata ed eseguita correttamente, questa tecnica può essere eseguita in 20 ore consecutive, compresa la fabbricazione di tutti i transistor. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica può fungere da piattaforma per i futuri sviluppi di nanodispositivi, in quanto apre la strada alla produzione di futuri dispositivi avanzati su scala nanometrica.
Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come fabbricare in modo affidabile transistor 2D con back-gated utilizzando processi di fabbricazione standard, tra cui la litografia a fascio di elettroni e l'elettrodeposizione metallica. Sebbene questo metodo si rivolga allo sviluppo di dispositivi 2D in nanomateriali, può essere applicato anche a materiali 1D. Non dimenticare che lavorare con TMAH, soluzione di ammoniaca, PMMA e altri resistori fotografici può essere estremamente pericoloso e che i dispositivi di protezione individuale devono essere sempre indossati durante l'esecuzione di questa procedura.
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Panoramica
In questo articolo viene presentata una procedura standardizzata e affidabile per la fabbricazione di nanoelettronica a basse dimensioni. Il metodo affronta le sfide principali nella realizzazione di dispositivi basati su materiali bidimensionali, in particolare nella localizzazione accurata dei campioni di materiale.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Nanoelettronica
- Materiali 2D
- Realizzazione di dispositivi
Sfondo
- Lo sviluppo di dispositivi su piccola scala è una sfida.
- La posizione precisa dei materiali 2D è fondamentale per la fabbricazione.
- I metodi esistenti potrebbero non essere adatti ai materiali a basse dimensioni.
- Gli assistenti di ricerca Po-Chun Chen e Kristan dimostrano la procedura.
Scopo dello studio
- Introdurre una tecnica di fabbricazione affidabile per la nanoelettronica.
- Migliorare la precisione nel posizionamento di campioni di materiali bidimensionali.
- Facilitare lo sviluppo di futuri dispositivi a basse dimensioni.
Metodi Utilizzati
- Utilizzo di ossido di silicio con gate posteriore su substrati di silicio.
- Incorporazione di array di pad metallici in titanio e oro.
- Uso di substrati in zaffiro con strati di disolfuro di molibdeno.
- Dimostrazione del processo di fabbricazione da parte di studenti laureati.
Risultati principali
- Il metodo localizza con successo materiali 2D per la fabbricazione.
- Efficacia dimostrata nello sviluppo di dispositivi su piccola scala.
- Fornisce una procedura standard per le ricerche future.
- Migliora l'affidabilità della fabbricazione di nanoelettronica.
Conclusioni
- Il metodo introdotto rappresenta un notevole progresso nell'ambito della nanoelettronica.
- Permette di affrontare sfide fondamentali nella fabbricazione di dispositivi a base di materiali 2D.
- Le ricerche future potranno basarsi su questa tecnica di fabbricazione affidabile.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale Direttiva
La localizzazione precisa dei materiali e la nanofabbricazione riproducibile rappresentano colli di bottiglia critici nella fase iniziale di scoperta di sensori e transistor nanoelettronici. Questo protocollo consente la fabbricazione affidabile di dispositivi basati su materiali 2D, supportando l'eliminazione dei rischi meccanicistici nei concetti di sensori piezoresistivi e migliorando la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi per le bio-interfacce su scala nanometrica. Standardizzando la litografia a fascio di elettroni e la definizione degli elettrodi, il metodo migliora la riproducibilità tra i diversi gruppi di ricerca che lavorano su piattaforme di nanosensori rilevanti per le malattie.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi di ipotesi terapeutiche che coinvolgono la trasduzione meccanica su scala nanometrica in biosensori sensibili al piezoelettrico.
- Valore operativo: Fornisce un processo ripetibile per la fabbricazione di dispositivi a base di materiali bidimensionali al fine di convalidare bersagli molecolari in condizioni controllate di deformazione.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera uscite quantificabili di corrente-tensione sotto forza applicata, consentendo schermature simili a risposte dose-dipendenti delle risposte meccanobiologiche.
- Valore operativo: Offre una fabbricazione altamente ripetibile, riducendo la variabilità delle prestazioni del sensore tra replicati del saggio.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Supporta lo sviluppo di nanosistemi pertinenti alle malattie in cui gli stimoli meccanici modulano l'interazione con il bersaglio, come nella fibrosi o nella meccanotrasduzione cardiovascolare.
- Valore operativo: Facilita la continuità preclinica fornendo una piattaforma scalabile per la progettazione iterativa e la validazione dei sensori.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla verifica dell'ipotesi sul bersaglio all'identificazione del capostazione, in particolare per bersagli meccanosensibili in cui le letture nanoelettroniche si correlano con l'attività biologica.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi consentendo la fabbricazione di dispositivi in grado di trasdurre la deformazione meccanica in segnali elettrici per chiarire i percorsi molecolari.
- Screening: Permette la preparazione dei saggi attraverso la produzione standardizzata e ad alto rendimento di matrici di transistor 2D con caratteristiche elettriche costanti.
- Analisi: Fornisce misurazioni quantitative di variabili dipendenti (risposta di corrente a polarizzazione fissa) che consentono il confronto tra diverse condizioni di deformazione e tra diverse iterazioni del dispositivo.
- Ricerca traslazionale: Si collega alla continuità preclinica generando prototipi affidabili di nanosensori per studi sull'interfaccia con tessuti ex vivo.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una capacità di nanofabbricazione riutilizzabile per progetti multipli che prevedono l'integrazione di nanomateriali 2D o 1D in piattaforme di biosensing.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia nella validazione dell'obiettivo riducendo l'ambiguità nel rilevamento del segnale di meccanotrasduzione.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità e la standardizzazione della fabbricazione di nanodispositivi tra team multidisciplinari.
- Valore strategico: Consente decisioni più accurate di prosecuzione o interruzione nello sviluppo di nanosensori fornendo dati affidabili sulle prestazioni già nelle fasi iniziali del processo di scoperta.
- Impatto sul portafoglio: Favorisce la priorizzazione dei progetti a scala nanometrica in base al rischio, grazie a resa e prestazioni prevedibili del dispositivo.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella nanofabbricazione, nella litografia a fascio di elettroni e nella manipolazione di materiali bidimensionali.
- Presuppone l'accesso a sistemi di litografia a fascio di elettroni, evaporatori e piastre riscaldanti con controllo preciso della temperatura.
- Necessita di una standardizzazione delle procedure di rivestimento, cottura e rimozione del PMMA tra diversi utilizzatori.
- Richiede considerazioni di adattamento qualora il protocollo venga trasferito ad altri materiali bidimensionali oltre al disolfuro di molibdeno.
- Comporta limitazioni pratiche legate alla natura pericolosa delle soluzioni di TMAH e ammoniaca, richiedendo rigorosi protocolli di sicurezza chimica e l'uso obbligatorio di dispositivi di protezione individuale.
