Savi-susirinkimas ir savi-organizacija darosi svarbiais
nanotechnologų darbo įrankiais. Nano pasaulį
tiriantys mokslininkai ir inžinieriai mano, kad tokios pat jėgos, kurioms
veikiant susidaro snaigės - natūrali
trauka ir atostūmis, verčiantys
molekules sudaryti painius raštus - gali būti
pasitelktos gaminant vertingus darinius, pavyzdžiui, medikų naudojamus
implantus arba elektronikos lustų komponentus. Iki šiol daugiausia visi
save formuojančioms nanostruktūroms
pašvęsti darbai buvo ne daugiau kaip principo
demonstravimas universiteto laboratorijoje. Norint, kad mokslinė
keistenybė patektų į 2
milijardus dolerių kainuojančios
puslaidininkinių prietaisų gamyklos technikos arsenalą, šioms
medžiagoms ir technologijoms tektų nueiti ilgą kelią.
Prieš ketverius metus du IBM mokslinio centro
darbuotojai iš Yorktown Heights miesto Niujorko
valstijoje pradėjo svarstyti, kaip savi-susirinkimo viziją paversti
praktikai svarbia realybe. Jie abu - Charles Blackas ir
Kathryn Guarini - žinojo, kad teks atsisakyti pretenzijų iškart
sukurti lustus, kurie patys susirinktų ir manė, kad
pradžioje pakaktų pakeisti tokiais
procesais bent vieną silicio technologijos žingsnį. Net ir
vieno žingsnio supaprastinimas pramonei labai praverstų.
Pradžioje jie išsirinko molekulių, galinčių
savi-susirinkti ir nesutrikdyti tradicinių silicio technologijos
procesų sekos, tipą. Visai
natūraliai buvo pasirinkti polimerai. Iš jų sudaryti
fotolitografijoje naudojami "rezistai" -
medžiagos, kurios po eksponavimo ultravioletine
spinduliuote nusiplauna ir leidžia sukurti silicio plokštelės paviršiuje
norimą raštą. Pirmuosius dvejus metus
abudu mokslininkai tyrinėjo polimerus ir jų savi-susirinkimui reikalingas
optimalias temperatūras ir storius. Šis
darbas nenuėjo veltui ir Blackas su Guarini pradėjo šį bei tą gaminti.
Įprastinėje fotolitografijoje fotorezistas yra apšviečiamas ultravioletine šviesa. Ėsdiklis pašalina apšviestą fotorezisto dalį. Savi-susirinkimo atveju, pakaitinus dviblokį kopolimerą, atsiskiria du polimerai, suformuodami polistereno ir PMMA sritis. PMMA yra pašalinamas.
Mokslininkai reguliariai pasirodydavo konferencijose, kuriose
pasakodavo apie savi-susirenkančius korio formos darinius. Bet ir tai
tebuvo mokslinė keistenybė - techninių
galimybių demonstravimas, kurių nanotechnologijai skirtose
konferencijose itin gausu. Kam tokie nanoraštai
gali tikti? Kaip juos integruoti į gamybos procesus? Ar jie sugebės pakeisti
geriausias šiuolaikines grandynų
rašto sudarymo technologijas, į kurių
kūrimą buvo investuoti šimtai milijonų
dolerių?
Pagaliau, prieš metus mokslininkai sugalvojo, kur realioje gamybos
linijoje galėtų tikti save
formuojančio korio raštas. Demonstracijai
pasirinkta medžiaga buvo dviblokis kopolimeras, kuriame du polimerai
- šiuo atveju, polistirenas (putplastis) ir
polimetilmetakrilatas (organinis stiklas arba PMMA) - susirišę vienas
su kitu cheminiais ryšiais. Uždėjus lašą kopolimero ant
įsukto silicio sluoksnio, abu polimerai atsiskiria taip, lyg
būtų alyva ir vanduo. Nors molekulės ir išsitempia,
cheminis ryšys išlieka ir jos lieka susijungusios. Po to sekantis
šiluminis apdorojimas dar sustipriną šį išsitęsimą.
Galiausiai organinis stiklas susimeta į mažus cilindrus, iš visų
pusių apsuptus polistireno. Taigi dviblokis kopolimeras
pats suformuoja beveik užbaigtą korio formos šabloną.
Norint užbaigti 20 nanometrų skersmens porų
formavimo procesą, pasitelkiamas organinis tirpiklis,
pašalinantis organinį stiklą. Po to
sekantis ėsdinimas perneša tokį pat korio raštą ant
apačioje esančio silicio dioksido sluoksnio. Vėliau ant
visos plokštelės užnešamas
amorfinis silicis. Dujomis yra nuėsdinamas visas silicis,
išskyrus tą, kuris nusėdo skylėse. Po
to lieka nanokristaliniai silicio cilindrai, apsupti silicio
dioksido. Paskutinis žingsnis yra izoliuojančio sluoksnio ir
silicio bloko, kuris yra užtūra,
įjunginėjanti ir išjunginėjanti elektroninį
prietaisą, nusodinimas darinio viršuje. Blackas ir Guarini šitaip pagamino
nanostruktūrą, kuri yra flash
atmintinės - prietaiso, kuris išsaugo
skaitmeninius bitus netgi ir tada, kai kamera ar grotuvas yra išjungti, dalis.
Nanokristaliniai cilindrai šiuo atveju yra kondensatoriai, kuriuose saugomi
duomenys.
IBM pademonstravo, kad, panaudojant savi-susirinkimo būdu į standartinį prietaisą įterptą silicio nanokristalų sluoksnį, galima pagaminti flash atmintines.
Pramonėje dirbantys inžinieriai visada įtariai žiūri į naujas
siūlomas technologijas, todėl mokslininkai
privalo gerokai pasistengti, kol juos įtikina. Ekonomikos požiūriu
savi-susirinkimo technologija yra gana patraukli.
Flash atmintinėms reikalingas tankiai išdėstytas skyles itin sunku
pagaminti naudojant tradicinius litografijos ir nusodinimo metodus. Jeigu
nanokristalai gaminami tradiciniais būdais, gaunami netvarkingai
sumesti, labai įvairių dydžių elementai. Tuo
tarpu patys susiformavę nanokristalai išsidėsto labai tolygiai ir tvarkingai ir
visi jie yra vieno dydžio. Cilindrų
skersmuo gali būti mažiau 20 nm, o
tolygus jų išsidėstymas pagerina
elektros krūvio išlaikymo cilindre
charakteristikas.
IBM kol kas pasitenkino vien pademonstravusi, kad šis principas
išties įgyvendinimas. Kompanija jau
daug metų nebegamina flash atmintinių,
todėl negali iškart įdiegti išradimo
savo gamybos linijose. Bet firmos specialistams kilo minčių, kaip panašius
nanometrų dydžio raštus būtų galima
panaudoti kituose lustų gamybos procesuose. Savi-susirenkantis
polimeras gali, pavyzdžiui, padėti sukurti
miniatiūrinius silicio stulpelius,
kyšančius virš padėklo, esančio po jais. Tie
stulpeliai galėtų būti tranzistorių
"kanalais", kuriais keliauja elektronai,
tačiau tokiais, kuriais elektronai
judėtų ne išilgai lusto paviršiaus, kaip
šiandieniniuose prietaisuose, o statmenai jam. Todėl ir užtūra bus cilindro,
supančio silicio stulpelį, formos.
Tokia geometrija neleistų elektronams tuneliuoti arba kitaip prasiskverbti
kanalu tuomet, kai tranzistorius yra uždarytas, o šis efektas labai sustiprėja,
kai prietaisų matmenys pasidaro labai maži.