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來源：內容編譯自IEEE，謝謝。
利用液態金屬，科學家們發明了一種製造自組裝電子產品的新方法。研究人員利用包括奈米級到微米級電晶體和二極體在內的原型，表示他們的研究可能有助於大大簡化電子產品的生產。
北卡羅來納州立大學材料科學與工程學教授馬丁·索表示，現有的晶片製造技術需要很多步驟，並且依賴於極其複雜的技術，這使得製造成本高昂且耗時。
因此，幾十年來，科學家一直在尋求開發自組裝電子產品。“自組裝是自然界的預設方法——大腦就是自組裝的，”Thuo 說。透過避免使用先進的製造工具，自組裝“降低了製造所需的資本投資和訓練有素的人力水平。”他說，多步驟過程，例如場效應電晶體的製造，可以一步完成。
自組裝之路漫漫
先前的研究探索了自組裝的多種途徑，比如嘗試用分子構建計算機或使用DNA 或其他化合物來組裝元件。
Thuo 表示，這些方法面臨的兩個關鍵問題是防止汙染物滲入最終產品和構建多個規模的元件。為了克服這些挑戰，Thuo 和他的同事組建了一個跨學科團隊。他表示，由此產生的化學、材料科學、流體動力學和電氣工程方面的專業知識“讓我們脫穎而出”。
他們開發的技術從液態金屬顆粒開始，例如菲爾德金屬，它是銦、鉍和錫的合金，在 62 攝氏度的溫和溫度下呈液態。這些大約 2 微米寬的顆粒被放置在矽橡膠模具的一側，研究人員可以將其製成任何圖案或尺寸。
科學家們接下來倒入醋溶液，從顆粒表面收集金屬離子。在模具內部，溶液中含有離子的分子（稱為配體）會自行組裝成三維結構，而溶液中的液體部分則開始蒸發，使三維結構越來越緊密地堆積在一起。隨著液體變幹，模具有助於這些結構形成可預測的對稱陣列。
研究人員隨後移除模具，將陣列加熱至 600 攝氏度，分解配體分子並釋放碳和氧原子。氧與金屬離子相互作用形成半導體金屬氧化物，而碳原子則形成石墨烯片。
利用這項新技術，科學家們製作出了 44 奈米至 1 微米寬的導線，以及奈米級至微米級大小的電晶體和二極體。（電晶體是使用矽襯底作為器件的柵極，並將金電極連線到半導體導線上而製成的。二極體是利用導線中天然的不對稱電導而製成的。）最終，他們可以生成毫米到釐米寬的圖案，“因此可擴充套件性不是挑戰，”Thuo 說。
研究人員可以透過控制溶液中使用的液體種類、模具尺寸和溶液蒸發速率來控制半導體結構的特性。此外，液態金屬顆粒中的鉍使所得陣列對光有響應，這意味著這項新技術可以幫助製造光電裝置。
自組裝的用途
“自組裝電子產品一直是我們的長期夢想，因為它們有望簡化製造過程和相關成本，以滿足對更復雜電子產品日益增長的需求，”荷蘭特溫特大學光電子混合材料教授Chris Nijhuis表示，他沒有參與這項研究。“現在看到這種概念被用於從超冷液態金屬開始自組裝電子和光學活性裝置，真是令人震驚。”
Thuo 表示，這項新技術的首個應用領域可能是微機電系統 ( MEMS ) 和相關感測器。“我們希望將這種方法用於製造一些預測到但尚未商業化的電晶體架構，如BiSFET [雙層偽自旋場效應電晶體]，其中介面和 2D 材料起著重要作用……看看這些概念能否在自適應電路、多功能甚至3-D 電子產品中得到進一步發展，將會非常有趣。”
“此外，這種以如此精細的控制方式製造導線的新策略可能對難以形成互連的應用非常重要，”Nijhuis 說道。他警告說，使用這種新技術製造結構所需的高溫可能會限制其潛在應用，但“仍有改進的空間”。
利用液態金屬，科學家們發明了一種製造自組裝電子產品的新方法。研究人員利用包括奈米級到微米級電晶體和二極體在內的原型，表示他們的研究可能有助於大大簡化電子產品的生產。
北卡羅來納州立大學材料科學與工程學教授馬丁·索表示，現有的晶片製造技術需要很多步驟，並且依賴於極其複雜的技術，這使得製造成本高昂且耗時。
因此，幾十年來，科學家一直在尋求開發自組裝電子產品。“自組裝是自然界的預設方法——大腦就是自組裝的，”Thuo 說。透過避免使用先進的製造工具，自組裝“降低了製造所需的資本投資和訓練有素的人力水平。”他說，多步驟過程，例如場效應電晶體的製造，可以一步完成。
自組裝之路漫漫
先前的研究探索了自組裝的多種途徑，比如嘗試用分子構建計算機或使用DNA 或其他化合物來組裝元件。
Thuo 表示，這些方法面臨的兩個關鍵問題是防止汙染物滲入最終產品和構建多個規模的元件。為了克服這些挑戰，Thuo 和他的同事組建了一個跨學科團隊。他表示，由此產生的化學、材料科學、流體動力學和電氣工程方面的專業知識“讓我們脫穎而出”。
他們開發的技術從液態金屬顆粒開始，例如菲爾德金屬，它是銦、鉍和錫的合金，在 62 攝氏度的溫和溫度下呈液態。這些大約 2 微米寬的顆粒被放置在矽橡膠模具的一側，研究人員可以將其製成任何圖案或尺寸。
科學家們接下來倒入醋溶液，從顆粒表面收集金屬離子。在模具內部，溶液中含有離子的分子（稱為配體）會自行組裝成三維結構，而溶液中的液體部分則開始蒸發，使三維結構越來越緊密地堆積在一起。隨著液體變幹，模具有助於這些結構形成可預測的對稱陣列。
研究人員隨後移除模具，將陣列加熱至 600 攝氏度，分解配體分子並釋放碳和氧原子。氧與金屬離子相互作用形成半導體金屬氧化物，而碳原子則形成石墨烯片。
利用這項新技術，科學家們製作出了 44 奈米至 1 微米寬的導線，以及奈米級至微米級大小的電晶體和二極體。（電晶體是使用矽襯底作為器件的柵極，並將金電極連線到半導體導線上而製成的。二極體是利用導線中天然的不對稱電導而製成的。）最終，他們可以生成毫米到釐米寬的圖案，“因此可擴充套件性不是挑戰，”Thuo 說。
研究人員可以透過控制溶液中使用的液體種類、模具尺寸和溶液蒸發速率來控制半導體結構的特性。此外，液態金屬顆粒中的鉍使所得陣列對光有響應，這意味著這項新技術可以幫助製造光電裝置。
自組裝的用途
“自組裝電子產品一直是我們的長期夢想，因為它們有望簡化製造過程和相關成本，以滿足對更復雜電子產品日益增長的需求，”荷蘭特溫特大學光電子混合材料教授Chris Nijhuis表示，他沒有參與這項研究。“現在看到這種概念被用於從超冷液態金屬開始自組裝電子和光學活性裝置，真是令人震驚。”
Thuo 表示，這項新技術的首個應用領域可能是微機電系統 ( MEMS ) 和相關感測器。“我們希望將這種方法用於製造一些預測到但尚未商業化的電晶體架構，如BiSFET [雙層偽自旋場效應電晶體]，其中介面和 2D 材料起著重要作用……看看這些概念能否在自適應電路、多功能甚至3-D 電子產品中得到進一步發展，將會非常有趣。”
“此外，這種以如此精細的控制方式製造導線的新策略可能對難以形成互連的應用非常重要，”Nijhuis 說道。他警告說，使用這種新技術製造結構所需的高溫可能會限制其潛在應用，但“仍有改進的空間”。
科學家們目前正在開發一家初創公司，以推動他們的工作向前發展。此外，Thuo 指出，他和他的同事是美國國家科學基金會創新團專案的一部分，該專案旨在幫助他們接觸工業界。“自組裝過程很容易適應，但它們需要與特定需求保持一致，”Thuo 說。“這就是我們與半導體公司交談的原因。”
https://spectrum.ieee.org/self-assembly
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