永利402com官方网站 永利402官方网站 微芯片越变越小,激光投射金属有机框架材质产生金属皮米晶粒及晶片打字与印刷

微芯片越变越小,激光投射金属有机框架材质产生金属皮米晶粒及晶片打字与印刷



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近日,化学领域国际权威期刊《美国化学会志》 (Journal of the American
Chemical
Society,JACS)发表邓鹤翔教授和程佳瑞教授合作研究成果。论文题为“Nanoscale
Laser Metallurgy and Patterning in Air Using MOFs”
(《空气环境下基于MOF的纳米金属激光冶炼及图案化》),被选为当期杂志封面,博士后江浩庆为论文的第一作者。

据比利时鲁汶大学官网近日报道,该校与比利时微电子研究中心的研究人员们成功开发出一项芯片绝缘新技术。这项技术采用了由结构化的纳米孔组成的金属有机框架材料。从长远来看,这种方法可用于开发尺寸更小、性能更强、能耗更低的芯片。比利时鲁汶大学微生物和分子系统系教授
Rob Ameloot
领导的一项研究表明,一项新技术将会提供解决方案。他表示:“我们将金属有机框架用作绝缘物质。这些材料由金属离子和有机分子组成。它们在一起形成了一种坚固的多孔晶体。”

金属纳米晶粒是制备光电子器件的重要原料。但金属纳米晶粒活性高、极易被氧化,制备过程往往需要溶液、真空或惰性气氛保护,因此制造工艺复杂,难以大规模应用。化学与分子科学学院邓鹤翔教授与工业科学研究院程佳瑞教授团队合作,采用金属有机框架材料(Metal-organic
Framework,
MOF)作为原料,利用激光成功制备了颗粒大小均一的金属纳米晶粒。通过程序控制激光的开闭和光斑的移动实现了图案的制备,仅数十秒即可打印出由金属纳米晶粒构成的晶圆级别大小的芯片,整个过程完全在空气中进行,所需激光功率不到5瓦,非常适合规模化生产。

如今,计算机芯片正越变越小。然而,这并不是什么新鲜事,早在1965年,芯片制造商英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔就作出了这一预测。摩尔定律指出,芯片上的晶体管数目,每隔两年就会增加一倍。后来,这个预测中的时间间隔被调整为18个月,但理论仍然成立。芯片越变越小,但其处理能力却越变越强。如今,一颗芯片可以容纳逾十亿个晶体管。

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摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量

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可是,尺寸持续缩小也带来了许多障碍。开关和电线如此紧密地封装在一起,会产生更多的电阻,使得芯片发送信号的能耗更高。为了设计一个运行良好的芯片,你需要用绝缘物质将这些线相互分开,确保电信号不会受到干扰。然而,在纳米尺度上,这并不是一项容易完成的任务。

激光照射金属有机框架材料产生金属纳米晶粒及芯片打印

金属有机框架,是由有机配体和金属离子或团簇,通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。

MOF由金属与含碳有机配体构筑。目前大部分研究集中在MOF中有机成分上,而结构中丰富的金属离子尚未充分利用。此项工作提出了激光纳米金属冶炼及图案化方法(Nanoscale
Laser Metallurgy and Patterning,
简称nano-LaMP):以MOF为原料实现了空气环境下的金属纳米颗粒制备和同步图案打印。在反应过程中,MOF晶体内有序排列的金属离子和有机配体分别作为金属源和还原剂。纳秒脉冲激光器则负责将能量精准地投送到指定位置,为金属还原提供能量。MOF晶体高效吸收激光后产生局域高温,金属离子被迅速还原并从MOF丰富的孔道中喷射出来,在基底上沉积并迅速冷却形成金属纳米晶粒。

MOF的分子结构

nano-LaMP方法展现出较好的普适性,能够基于含有不同金属离子的MOF晶体制备出铁、钴、镍、铜、锌、镉、铟、铅和铋九种金属纳米晶粒及其图案。其中,基于铜纳米晶粒的表面增强拉曼效应芯片在对多种生物分子的检测中提供极低的检测限。nano-LaMP结合了激光和MOF材料的优点,为芯片制造提供了节能环保、快速灵活的新方法。

MOF
是一种多功能的多孔纳米材料,可用于存储、分离、释放、保护几乎所有的东西。它具有以下重要特性:多孔、表面积大、结构和功能多样性、不饱和金属位点。这些特性使之具有强大的吸附功能和催化功能。

该工作获得国家自然科学基金,国家重点研发计划武汉大学创新团队项目的资助,以及上海光源,武汉大学大型仪器共享平台和测试中心的支持。

下图为某种MOF的原理图。图中线条是有机连接桥,交叉点是金属离子。黄球代表孔隙空间,可充满液体或气体。

MOF
有望成为定义21世纪的新材料。它非常适合感知与捕捉微量浓度的物质,净化水或空气,或者用于存储大量能量,制造性能更佳的电池以及能量存储器件。

由MOF材料做成的水分采集装置

史上首次,比利时鲁汶大学与比利时微电子研究中心将 MOF
绝缘应用于电子材料。

鲁汶大学微生物与分子系统系博士后研究员 Mikhail Krishtab
表示,他们在这项技术中采用了一种称为“化学气相沉积”的工业方法。他说:“首先,我们将氧化物薄膜放置到表面上。然后,我们让它与有机材料的蒸汽起反应。这种反应使得材料膨胀,形成纳米多孔晶体。”

Krishtab
表示:“这种方法的主要优势就是它的自下而上。我们首先沉积了氧化物薄膜,然后它膨胀到非常多孔的金属有机框架材料上。你可以将它比作蛋奶酥;它在烤箱里膨胀然后变得非常轻。金属有机框架材料形成了一种多孔结构,该结构充满了导体之间的所有间隙。这就是绝缘完整且均匀的原因。其他自上而下的方法,总是会有在绝缘中存在小间隙的风险。”

下图所示,体积膨胀伴随着氧化物向 MOF
转变的过程,实现了纳米沟槽的无缝填充。

Ameloot 教授的研究小组收到了欧洲研究委员会概念验证经费,与 Silvia
Armini合作进一步开发这项技术。Ameloot
教授表示:“在比利时微电子研究中心,我们拥有专业知识来开发基于晶圆的方案,将这些技术从实验室扩展到量产,为微电子工业实现一种可制造的解决方案。”

Ameloot
继续表示:“我们已经展示了金属有机材料具有正确的特性。现在,我们就必须进行精加工。目前,晶体表面仍然不平整。我们必须使之变光滑,从而将这种材料集成到芯片中。”

这项技术一旦得以完善,就可用于制造尺寸小、性能强、功耗低的芯片。Ameloot
表示:“各种各样的人工智能应用需要许多的处理能力,例如无人驾驶汽车与智慧城市。技术公司一直在寻找既快速又节能的新解决方案。我们的研究将对新一代芯片作出宝贵的贡献。”

文章来源:环球创新智慧

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