研究人员展示自组装电子器件

D-Met 制作的图案生产可用于微机电系统 (MEMS) 的组件。图片来源：Julia Chang。

研究人员展示了一种名为D-Met的自组装电子设备新技术。这项概念验证工作被用于制造二极管和晶体管，为在不依赖现有计算机芯片制造技术的情况下自组装更复杂的电子器件铺平了道路。

“现有的芯片制造技术涉及许多步骤，依赖于极其复杂的技术，因此成本高昂，耗时长，”相关论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系教授 Martin Thuo 说。”我们的自组装方法速度更快，成本更低。我们还证明，我们可以用这种方法调整半导体材料的带隙，并使材料对光做出反应–这意味着这种技术可以用来制造光电设备。

“更重要的是，目前的制造技术良品率较低，这意味着它们会生产出相对较多无法使用的故障芯片。我们的方法产量高，这意味着阵列生产更加稳定，浪费更少。

Thuo 将这种新型自组装技术称为定向金属配体（D-Met）反应，下面是它的工作原理。

首先是液态金属颗粒。在概念验证工作中，研究人员使用了菲尔德金属，这是一种由铟、铋和锡组成的合金。液态金属颗粒被放置在一个模具旁边，该模具可以制成任何尺寸或图案。然后将溶液倒在液态金属上。溶液中含有称为配体的分子，由碳和氧组成。这些配体从液态金属表面收集离子，并以特定的几何图案固定这些离子。溶液流过液态金属颗粒并被吸入模具中。

随着溶液流入模具，含离子配体开始组装成更复杂的三维结构。与此同时，溶液中的液体部分开始蒸发，从而使复杂的结构越来越紧密地排列在一起。

Thuo说：”如果没有模具，这些结构可能会形成有些混乱的图案。但由于解决方案受到模具的限制，这些结构会形成可预测的对称阵列。”

一旦结构达到所需的尺寸，模具就会被移除，然后对阵列进行加热。热量会分解配位体，释放出碳原子和氧原子。金属离子与氧相互作用形成半导体金属氧化物，而碳原子则形成石墨烯薄片。这些成分组装成一个由石墨烯片包裹的半导体金属氧化物分子组成的有序结构。研究人员利用这种技术制造出了纳米级和微米级晶体管和二极管。

该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员 Julia Chang 说：”石墨烯薄片可用于调节半导体的带隙，使半导体的反应更强或更弱，这取决于石墨烯的质量。”

此外，由于研究人员在概念验证工作中使用了铋，因此他们能够制造出光响应结构。这样，研究人员就可以利用光来操纵半导体的特性。

Thuo 说：”D-Met 技术的性质意味着你可以大规模地制造这些材料–你只受限于你所使用的模具的大小。”你还可以通过调节溶液中使用的液体类型、模具尺寸和溶液的蒸发速度来控制半导体结构。”

Thuo 说：”简而言之，我们已经证明，我们可以自组装高度结构化、高度可调的电子材料，用于功能电子器件。”这项工作展示了晶体管和二极管的制造。下一步是利用这项技术制造更复杂的设备，如三维芯片。”

这篇题为 “Guided Ad infinitum Assembly of Mixed-Metal Oxide Arrays from Liquid Metal“的论文以开放存取方式发表在 Materials Horizons 杂志上（DOI: 10.1039/D4MH01177E）。论文的第一作者是北卡罗来纳州立大学的博士后研究员 Julia Chang。该论文的共同作者包括：北卡罗来纳州立大学博士后研究员 Andrew Martin 、北卡罗来纳州立大学博士生 Alana Pauls 和 Dhanush Jamadgni ，以及爱荷华州立大学的Chuanshen Du、 Le Wei 、Thomas Ward 和 Meng Lu。

Chang、Martin 和 Thuo 正在申请一项与 D-Met 研究有关的专利。Chang、Ward 和 Du 还有一项与 D-Met 研究相关的专利正在申请中。

这项工作得到了美国国家科学基金会复杂粒子系统中心（Center for Complex Particle Systems）2243104 号基金的支持。