Блочные сополимеры — молекулы, спонтанно самоорганизующиеся в полезные структуры, последние несколько лет рассматриваются как вероятная замена технологиям фотолитографии, которые за полвека применения практически исчерпали свои возможности миниатюризации электронных схем.

В новой статье, вышедшей в журнале Nature Communications, ученые Массачусетского технологического института (MIT) впервые описали методику создания нескольких слоев блочных сополимеров таким образом, что провода в каждом последующем автоматически ориентируются перпендикулярно проводам в предыдущем (нижнем) слое.

Возможность простого синтеза подобных «сеточных» структур позволит применять технологии самосборки для изготовления памяти, оптических чипов и даже будущих поколений процессоров.

В предшествовавших работах для формирования такой решётки инженеры MIT сначала наносили на подложку маркеры, используя электронно-лучевую литографию — долгий и затратный процесс.

«Теперь, в качестве шаблона мы применяем первый слой блочного сополимера, на котором и происходит самосборка следующего слоя», — пишет один из авторов публикации, Амир Тавакколи (Amir Tavakkoli) из Исследовательской лаборатории электроники MIT.

Блочные сополимеры состоят из двух химически несовместимых полимеров. Их стремление отдалиться друг от друга — внутри полимерных цепочек и в масштабах всей плёнки — и заставляет материал самоорганизовываться.

В эксперименте MIT один и таких полимеров был углеродным, а другой — кремниевым. Отодвигаясь от углеродных цепочек, кремниевые складывались, в результате чего образовывались цилиндры с кремний-органическими петлями внутри, и другим полимером, выступающим наружу. Обработка кислородной плазмой выжигала углеродные компоненты и окисляла кремний, оставляя стеклоподобные цилиндры, прикреплённые к основанию.

Затем, ученые просто повторяли вышеописанную процедуру, используя полимерные цепочки немного другой длины. В новом слое цилиндры естественным образом укладывались перпендикулярно цилиндрам подложки.

Химической обработкой поверхности, на которой формируется первый слой можно сделать так, что цилиндры будут образовывать параллельные линии. В этом случае следующий слой также будет состоять из параллельных цилиндров, развернутых на 90° по отношению к ним. Если же расположение цилиндров на нижнем уровне хаотично, или имеет сложную структуру, следующий уровень будет, в соответствии с принципом «локальной перпендикулярности», иметь собственный сложный, но однозначно предсказуемый рисунок. Для ряда приложений такой контролируемый беспорядок может быть даже более перспективен, чем сетчатые структуры.

Численное моделирование показало, что геометрия цилиндров нижнего слоя ограничивает варианты ориентации верхнего слоя. Если стенки нижних цилиндров слишком крутые, то верхние выбирают для укладки наиболее удобное — перпендикулярное направление. Также важным условием является слабость химического взаимодействия между цилиндрами: в противном случае они, подобно брёвнам, укладываются в штабеля параллельными слоями.

Стеклоподобные провода сами по себе не представляют интереса для электроники, однако они могут послужить основой для нанесения других материалов или электронно-активных молекул. Авторы также надеются воспроизвести полученные результаты с другими, более функциональными полимерами.