MIT-Forschende haben eine skalierbare Fertigungsplattform entwickelt, die empfindliche molekulare Materialien ohne Schäden in elektronische Bauelemente auf einem Chip integriert – eine seit langem bestehende Hürde der molekularen Elektronik. Der in Nature Nanotechnology beschriebene Ansatz erzeugte über 1.000 funktionierende nanoskalige Bauelemente und könnte den Weg zu Computer-, Sensor- und Quantentechnologien der nächsten Generation ebnen.
Moleküle gehören zu den kleinsten verfügbaren Bausteinen der Elektronik, deren Eigenschaften sich präzise konstruieren lassen. Doch die Standard-Halbleiterfertigung beruht auf aggressiven Chemikalien und Prozessen, die fragile molekulare Materialien zerstören. Die Lösung des MIT-Teams entkoppelt die beiden Schritte: Zuerst werden alle Bauelementkomponenten mit konventionellen Verfahren gefertigt, dann werden die Moleküle hinzugefügt und nanoskalige Kräfte erledigen den Rest.
In ihrer Demonstration bauten die Forschenden ein Gerüst mit zwei Metallelektroden, die durch einen präzise bemessenen Spalt getrennt sind, und brachten dann eine Molekülschicht auf den Elektrodenoberflächen auf. Als die Lösung verdampfte, zogen Kapillarkräfte – dieselbe Physik, die Wasser in Pflanzenstängel saugt – die obere Elektrode sanft auf die Moleküle. Van-der-Waals-Kräfte, die Anziehung zwischen Oberflächen auf engstem Raum, hielten die montierte Struktur anschließend stabil an Ort und Stelle.
„Statt exakt die Strukturen zu fertigen, die wir letztlich wollen, bauen wir etwas mechanisch Bewegliches und nutzen Kräfte, um es in eine Architektur zu verwandeln, die sich sonst nicht fertigen ließe", erklärte Sarah Spector, Co-Erstautorin und Doktorandin im Fachbereich EECS.
Für ein Feld, das lange unter Unzuverlässigkeit litt, sind die Ergebnisse bemerkenswert: Das Team fertigte über 1.000 Bauelemente mit Molekülschichten von weniger als einem Nanometer Dicke, erreichte eine durchschnittliche Ausbeute von 96 % funktionierenden Bauelementen, und die Bauelemente überstanden zehntausende elektrische Zyklen ohne Degradation. „Die Stabilität sticht wirklich heraus. Das ist ein entscheidendes Merkmal, um molekulare Bauelemente zu praktischen Anwendungen zu führen", sagte Co-Erstautor Peter Satterthwaite.
Die Technik unterstützt zudem die Integration auf Schaltkreis- und Systemebene – das Team baute ein vernetztes Array molekularer Speicherbauelemente – und lässt sich auf andere Materialien und Architekturen übertragen. „Unsere Plattform verbindet die Skalierbarkeit der konventionellen Halbleiterfertigung mit der Präzision und Kontrolle der Selbstorganisation", sagte Farnaz Niroui, Seniorautorin und außerordentliche Professorin für EECS. „Damit etablieren wir einen neuen Fertigungsrahmen für die skalierbare, hochdurchsatzfähige Integration neuartiger nanoskaliger und quantenbasierter Materialien." Die Arbeit wurde unter anderem von DARPA, der Semiconductor Research Corporation und der NSF gefördert und nutzte Einrichtungen von MIT.nano.
