Mens chip- og harddisk fabrikanter kæmper for at komme under 20 nm, klarer selvorganiserende plastik film let 5-10 nm features. Spørgsmålet er om disse fantastiske polymerer kan tæmmes godt nok til at gøre en forskel?

Plastic-æraen: man kan ikke lave computere uden plastic.

Man kan med en vis ret sige at lever i silicium æraen, men på mange måder er plastic en mere essentiel del af vores samfund, i industrien, i hverdagen, alle vegne.

Selv i halvlederindustrien er plastic ikke til at komme uden om.
Hvor du ikke finder meget plastic i en "færdig" Pentium Ion X7000 Supernova med 16 kerner og milliarder af transistorer, er tynde plastic film en vigtig del af fremstillingsprocessen der gør super-chips mulige. Den ekstremt avanceret foto-litografi man bruger idag virker ved at ændre opløseligheden af plastic lag kaldet "resist", som i den efterfølgende ætseproces kun fjernes i de områder der er belyst. Disse plasticfilm mønstres ved hjælp af lys, og der bruges stadigt kortere bølgelængder for at overvinde diffraktionsgrænsen. Med en række meget avancerede tricks kan man nå ned på omkring 15-20 nm strukturer. Med næste generations fotolitografi, EUV (Extreme UV lithography), satser man på at kunne komme endnu længere ned ved at bruge røntgen-stråler med en bølgelængde på 13 nm. Ekstremt svært og dermed dyrt, og tæt på smertegrænsen selv for de kæmpe ressourcer chip fabrikanterne, Intel, IBM og så videre råder over.

Blok kopolymerer danner nanomønstre af sig selv

Kemikerne har råbt op i årtier om at de skam sagtens kan lave præcise nanostrukturer i milliardvis, mens det har knebet med at forbinde dem i kredsløb, og ikke mindst tegne de bestemte mønstre der skal til for at lave en kompliceret IC.
Med blok-kopolymerer begynder det at ligne noget. Disse film kan lave regelmæssige strukturer på en meget lille skala - helt ned under 10 nm, og det er muligt at styre strukturerne til en vis grad.

Hvad er blok-kopolymerer og hvordan/hvorfor danner de mønstre?
Blander man vand og olie sammen vil væskerne skilles ad. Ikke så meget fordi vand og olie ikke kan lide at være sammen, og heller ikke fordi olie særligt godt kan lide at være sammen med olie, men fordi vand er polært, og dermed elsker at være sammen med vand. Olien klumper sig sammen for at flere vandmolekyler kan nøjes med at have vandmolekyler som naboer.

(Afhængigt af hvilke molekyler der benyttes - hvor lange de forskellige blokke er - kan man danne mange slags 2D og 3D strukturer)

Tager man nu et polymermolekyle, der har en hydrofob (olie-lignende) og en hydrofil (vand-lignende) ende, og laver en frygtelig masse kopier, har man en slags vand og olie blanding, hvor de to faser så at sige er bundet sammen. Dette princip bruger molekylerne i celler til at lave en dobbeltlipidmembran. Blok kopolymerer kan så noget andet: de kan ordne sig tyndfilm, der har strukturer som vist på figuren nedenfor.


Programmering

Afhængigt af hvor lange molekylerne er, hvilke egenskaber de to (eller flere) ender har og hvordan filmen bliver behandlet, kan man programmere molekylerne til at lave linier, prikker eller andre mønstre. Det bedste er at filmene ordner det næsten selv, med en uovertruffen detaljegrad. Det værste er at de ikke er fejlfri.

Der har været en del forsøg på at tilnærme denne lovende teknologi til chipfabrikanternes behov, og der er såmænd også forskere der samarbejder med IBM om at finde måder at tæmme de nanoskopiske polymerlag - få dem "overtalt" til at ordne sig præcis på den rigtige måde. Forskerne arbejder med at lave nogle "støttestrukturer" på chippen, der skal hjælpe polymerfilmene til at lave mønstre de rigtige steder.
(Ved at blande flere forskellige slags polymerer, kan man lave plastic "legeringer" der f.eks. kan danne kvadratiske istedet for hexagonale mønstre - som man ellers altid får)

For eksempel kan man lave et mønster med traditionelle metoder, men en periode P = 54 nm, og så "fordoble" tætheden ved at lave et efterfølgende block copolymer trin. Fordi block copolymererne er orienteret i forhold til det grovere mønster, opnår man en langt lavere fejlrate, end hvis polymerfilmen får lov at ordne sig som den vil.


(Her har man dannet blok kopolymererne på et underlag der allerede er mønstret i forvejen ved hjælp af "almindelig" litografi - med akkurat den dobbelte periode. Dette gør at polymererne retter ind, hvilket giver langt lavere fejlrate) (link)

Lagringsmedier med blok kopolymerer

På den korte bane ser lagringsmedier imidlertid noget nemmere ud:
Her er der brug for teknikker der hurtigt giver mønstre på store arealer, og der er ikke lige så strikse krav til fejlrater som for mikrochips.

For nylig var der en lille artikel i Nature Communications der fangede min opmærksomhed. Magnetisk lagring er begrænset af at magnetiske domæner er vanskelige at lave meget små - det svarer til at man ikke kan pakke 0'erne og 1'erne tættere, end størrelsen af de områder man kan magnetisere.

Når domænerne bliver for små, bliver de ustabile. Dette kaldes den superparamagnetiske grænse, og betyder at det magnetiske moment ustandseligt skifter - det er der ikke meget lagring i. Forskerne fra Amhurst fandt ud af at de kunne bruge block copolymerne til at lave et ordnet mønster af "for små" magnetiske nanopartikler, uden at de mistede magnetiseringen. Det ser ud til at vekselvirkninger mellem nanopartiklerne der er ordnet i et tæt mønster, fastholder det magnetiske moment, selv ved stuetemperatur.
Forskerne tror selv at denne strategi kan lede til billige lagringsmedier - en af fordelene ved block copolymerer er nemlig at kemien kan tilpasse mønstrene til mange forskellige anvendelser, og at det er langt, langt billigere end konventionel chip-litografi.

(Link)

En af forskerne, Gregory Tew, siger det sådan her:

"The small cobalt particles should not be magnetic at room temperature because they are too small. However, the block copolymer’s nanostructure confines them locally which apparently induces stronger magnetic interactions among the particles, yielding room-temperature ferromagnetic materials that have many practical applications."

"Until now, it has not been possible to produce ordered, magnetic materials via block copolymers in a simple process," Tew says. "Current methods require multiple steps just to generate the ordered magnetic materials. They also have limited effectiveness because they may not retain the fidelity of the ordered block copolymer, they can’t confine the magnetic materials to one domain of the block copolymer, or they just don’t produce strongly magnetic materials. Our process answers all these limitations."

Det lyder jo meget godt.

Blok kopolymerer på DTU - Holey Graphene!

Vi var så heldige at få et grundforskningscenter i år, hvor vi netop vil bruge blok kopolymerer til at lave huller i det fantastiske men drilske 2-dimensionelle kulstofmateriale grafen (også kaldet "graphen" eller "graphene"). Centeret hedder sjovt nok "Holey Graphene" - og handler om at udnytte mønstring af grafen til at manipulere de elektriske, optiske, kemiske og magnetiske egenskaber af grafen ved hjælp af mønstring på en ekstremt lille skala. Uden at kunne lave præcis mønstring ville silicium "æraen" aldrig være kommet igang, og det samme gælder (måske også) for grafen.
Centeret kører i første gang i seks år, og hvis det går godt, får vi fire år mere, så det er 10 år hvor vi - teoretisk og eksperimentelt - vil se hvor langt vi kan presse grafens egenskaber ... blandt andet ved hjælp af de fascinerende to-fasede polymerer.

Her er et billede af en af de første "masker" vi har lavet med blok kopolymerer (Lisa Tschammer, Lars Schulte, Kristoffer Almdal, Sokol NDoni).

(DTU NANOTECH)

Flot ikke?