制备易于自组装的网状结构的纳米线研究

麻省理工学院的研究人员正在开发聚合物纳米线，这种纳米线可以垂直组装成网状结构，使自组装成为制造存储器、光学芯片甚至未来几代计算机处理器的一种更实用的方法。

拉里·哈德斯蒂，麻省理工学院新闻办公室 2016年1月29日

自20世纪60年代以来，计算机芯片一直使用一种称为光刻的工艺制造。但在过去的五年里，芯片的特征已经变得比光的波长还小，这就需要对光刻工艺进行一些巧妙的修改。正如摩尔定律所预言的那样，要保持我们所期望的电路小型化速度，最终将需要新的制造技术。

嵌段共聚物是一种可以自发自组装成有用形状的分子，是光刻技术的一种很有前途的替代品。在杂志的一篇新论文中自然通讯麻省理工学院的研究人员描述了第一种堆叠嵌段共聚物线的技术，这种技术可以使一层中的线自然地垂直于下一层中的线。

容易制造这种“网状结构”的能力可以使自组装成为制造存储器、光学芯片甚至未来几代计算机处理器的一种更实用的方法。

麻省理工学院电子研究实验室的博士后Amir Tavakkoli是这篇新论文的三位第一作者之一，他说:“以前就有制造网状结构的工作，比如我们的工作。”“我们使用了我们通过电子束光刻制造的柱子，这很耗时。但在这里，我们不用电子束光刻。我们使用第一层嵌段共聚物作为模板，在其上自组装另一层嵌段共聚物。”

Tavakkoli论文的共同第一作者是电子工程研究生Sam Nicaise和材料科学与工程研究生Karim Gadelrab。资深作者是Walter Henry Gale材料科学与工程副教授Alfredo Alexander-Katz;丰田材料科学与工程教授卡洛琳·罗斯;以及电气工程教授卡尔·伯格伦。

不快乐的夫妇

聚合物是由基本分子单元串成链而成的长分子。塑料是聚合物，DNA和蛋白质等生物分子也是聚合物。共聚物是由两种不同的聚合物连接而成的聚合物。

在嵌段共聚物中，组成聚合物的选择使它们在化学上彼此不相容。它们试图将彼此推开——无论是在单个聚合物链内还是在聚合物膜内——这导致了它们的自组织。

在麻省理工学院研究人员的案例中，一种组成聚合物是碳基的，另一种是硅基的。在努力摆脱碳基聚合物的过程中，硅基聚合物将自己折叠起来，形成圆柱体，其中硅基聚合物在内部形成环状，另一种聚合物在外部竖起。当圆柱体暴露在氧等离子体中时，碳基聚合物燃烧掉，硅氧化，留下附着在基座上的玻璃状圆柱体。

为了组装第二层圆柱体，研究人员简单地重复了这个过程，尽管使用的共聚物链长略有不同。新层中的圆柱体自然地垂直于第一个层中的圆柱体。

对第一组圆柱体形成的表面进行化学处理，使它们平行排列。在这种情况下，第二层圆柱体也将形成平行的行，垂直于第一层中的行。

但是，如果允许底层的圆柱体随意形成，蜿蜒而出，形成精心设计的环状图案，第二层的圆柱体将保持它们的相对方向，形成它们自己精心设计的，但垂直的图案。

有序的网格结构具有最明显的应用，但无序的网格结构可能是更令人印象深刻的技术壮举。“这是材料科学家们兴奋的地方，”Nicaise说。

原因和原因

类似玻璃的金属丝并不能直接用于电子应用，但有可能将其植入其他类型的分子，使其具有电子活性，或者将其用作沉积其他材料的模板。研究人员希望他们可以用更多功能的聚合物重现他们的结果。为此，他们必须从理论上描述产生结果的过程。Gadelrab说:“我们使用计算机模拟来了解控制聚合物取向的关键参数。”

他们发现，底层圆柱体的几何形状限制了上层圆柱体的可能方向。如果下圆柱体的壁太陡，使上圆柱体无法舒适地安装，则上圆柱体将尝试寻找不同的方向。

同样重要的是，上层和下层只有弱的化学相互作用。否则，上面的圆柱体就会像木头堆在一起一样，把自己堆在下面的圆柱体上。