Dec.
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2024.12
北卡罗来纳州立大学材料科学与工程学教授马丁·索表示，现有的芯片制造技术需要很多步骤，并且依赖于极其复杂的技术，这使得制造成本高昂且耗时。
因此，几十年来，科学家一直在寻求开发自组装电子产品。“自组装是自然界的默认方法——大脑就是自组装的，”Thuo 说。通过避免使用先进的制造工具，自组装“降低了制造所需的资本投资和训练有素的人力水平。”他说，多步骤过程，例如场效应晶体管的制造，可以一步完成。
自组装之路漫漫
先前的研究探索了自组装的多种途径，比如尝试用分子构建计算机或使用DNA 或其他化合物来组装组件。
Thuo 表示，这些方法面临的两个关键问题是防止污染物渗入最终产品和构建多个规模的组件。为了克服这些挑战，Thuo 和他的同事组建了一个跨学科团队。他表示，由此产生的化学、材料科学、流体动力学和电气工程方面的专业知识“让我们脱颖而出”。
他们开发的技术从液态金属颗粒开始，例如菲尔德金属，它是铟、铋和锡的合金，在 62 摄氏度的温和温度下呈液态。这些大约 2 微米宽的颗粒被放置在硅橡胶模具的一侧，研究人员可以将其制成任何图案或尺寸。
科学家们接下来倒入醋溶液，从颗粒表面收集金属离子。在模具内部，溶液中含有离子的分子（称为配体）会自行组装成三维结构，而溶液中的液体部分则开始蒸发，使三维结构越来越紧密地堆积在一起。随着液体变干，模具有助于这些结构形成可预测的对称阵列。
研究人员随后移除模具，将阵列加热至 600 摄氏度，分解配体分子并释放碳和氧原子。氧与金属离子相互作用形成半导体金属氧化物，而碳原子则形成石墨烯片。
利用这项新技术，科学家们制作出了 44 纳米至 1 微米宽的导线，以及纳米级至微米级大小的晶体管和二极管。（晶体管是使用硅衬底作为器件的栅极，并将金电极连接到半导体导线上而制成的。二极管是利用导线中天然的不对称电导而制成的。）最终，他们可以生成毫米到厘米宽的图案，“因此可扩展性不是挑战，”Thuo 说。
研究人员可以通过控制溶液中使用的液体种类、模具尺寸和溶液蒸发速率来控制半导体结构的特性。此外，液态金属颗粒中的铋使所得阵列对光有响应，这意味着这项新技术可以帮助制造光电设备。
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自组装的用途
“自组装电子产品一直是我们的长期梦想，因为它们有望简化制造过程和相关成本，以满足对更复杂电子产品日益增长的需求，”荷兰特温特大学光电子混合材料教授Chris Nijhuis表示，他没有参与这项研究。“现在看到这种概念被用于从超冷液态金属开始自组装电子和光学活性设备，真是令人震惊。”
Thuo 表示，这项新技术的首个应用领域可能是微机电系统 ( MEMS ) 和相关传感器。“我们希望将这种方法用于制造一些预测到但尚未商业化的晶体管架构，如BiSFET [双层伪自旋场效应晶体管]，其中界面和 2D 材料起着重要作用……看看这些概念能否在自适应电路、多功能甚至3-D 电子产品中得到进一步发展，将会非常有趣。”
“此外，这种以如此精细的控制方式制造导线的新策略可能对难以形成互连的应用非常重要，”Nijhuis 说道。他警告说，使用这种新技术制造结构所需的高温可能会限制其潜在应用，但“仍有改进的空间”。
利用液态金属，科学家们发明了一种制造自组装电子产品的新方法。研究人员利用包括纳米级到微米级晶体管和二极管在内的原型，表示他们的研究可能有助于大大简化电子产品的生产。
北卡罗来纳州立大学材料科学与工程学教授马丁·索表示，现有的芯片制造技术需要很多步骤，并且依赖于极其复杂的技术，这使得制造成本高昂且耗时。
因此，几十年来，科学家一直在寻求开发自组装电子产品。“自组装是自然界的默认方法——大脑就是自组装的，”Thuo 说。通过避免使用先进的制造工具，自组装“降低了制造所需的资本投资和训练有素的人力水平。”他说，多步骤过程，例如场效应晶体管的制造，可以一步完成。
自组装之路漫漫
先前的研究探索了自组装的多种途径，比如尝试用分子构建计算机或使用DNA 或其他化合物来组装组件。
Thuo 表示，这些方法面临的两个关键问题是防止污染物渗入最终产品和构建多个规模的组件。为了克服这些挑战，Thuo 和他的同事组建了一个跨学科团队。他表示，由此产生的化学、材料科学、流体动力学和电气工程方面的专业知识“让我们脱颖而出”。
他们开发的技术从液态金属颗粒开始，例如菲尔德金属，它是铟、铋和锡的合金，在 62 摄氏度的温和温度下呈液态。这些大约 2 微米宽的颗粒被放置在硅橡胶模具的一侧，研究人员可以将其制成任何图案或尺寸。
科学家们接下来倒入醋溶液，从颗粒表面收集金属离子。在模具内部，溶液中含有离子的分子（称为配体）会自行组装成三维结构，而溶液中的液体部分则开始蒸发，使三维结构越来越紧密地堆积在一起。随着液体变干，模具有助于这些结构形成可预测的对称阵列。
研究人员随后移除模具，将阵列加热至 600 摄氏度，分解配体分子并释放碳和氧原子。氧与金属离子相互作用形成半导体金属氧化物，而碳原子则形成石墨烯片。
利用这项新技术，科学家们制作出了 44 纳米至 1 微米宽的导线，以及纳米级至微米级大小的晶体管和二极管。（晶体管是使用硅衬底作为器件的栅极，并将金电极连接到半导体导线上而制成的。二极管是利用导线中天然的不对称电导而制成的。）最终，他们可以生成毫米到厘米宽的图案，“因此可扩展性不是挑战，”Thuo 说。
研究人员可以通过控制溶液中使用的液体种类、模具尺寸和溶液蒸发速率来控制半导体结构的特性。此外，液态金属颗粒中的铋使所得阵列对光有响应，这意味着这项新技术可以帮助制造光电设备。
自组装的用途
“自组装电子产品一直是我们的长期梦想，因为它们有望简化制造过程和相关成本，以满足对更复杂电子产品日益增长的需求，”荷兰特温特大学光电子混合材料教授Chris Nijhuis表示，他没有参与这项研究。“现在看到这种概念被用于从超冷液态金属开始自组装电子和光学活性设备，真是令人震惊。”
Thuo 表示，这项新技术的首个应用领域可能是微机电系统 ( MEMS ) 和相关传感器。“我们希望将这种方法用于制造一些预测到但尚未商业化的晶体管架构，如BiSFET [双层伪自旋场效应晶体管]，其中界面和 2D 材料起着重要作用……看看这些概念能否在自适应电路、多功能甚至3-D 电子产品中得到进一步发展，将会非常有趣。”
“此外，这种以如此精细的控制方式制造导线的新策略可能对难以形成互连的应用非常重要，”Nijhuis 说道。他警告说，使用这种新技术制造结构所需的高温可能会限制其潜在应用，但“仍有改进的空间”。
科学家们目前正在开发一家初创公司，以推动他们的工作向前发展。此外，Thuo 指出，他和他的同事是美国国家科学基金会创新团项目的一部分，该项目旨在帮助他们接触工业界。“自组装过程很容易适应，但它们需要与特定需求保持一致，”Thuo 说。“这就是我们与半导体公司交谈的原因。”
参考链接
https://spectrum.ieee.org/self-assembly
END
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