Neue Fertigung am MIT bringt Moleküle auf den Chip

Forschende des Massachusetts Institute of Technology haben eine skalierbare Fertigungstechnik entwickelt, mit der sich empfindliche molekulare Materialien in elektronische Bauteile auf einem Chip integrieren lassen. Der Ansatz soll helfen, Moleküle für künftige Elektronik, Sensorik, optische Systeme und Quantentechnologien nutzbar zu machen.

Moleküle gehören zu den kleinsten Bausteinen, die sich für elektronische Geräte verwenden lassen. Ihre Struktur und chemischen Eigenschaften können gezielt gestaltet werden. Dadurch eignen sie sich grundsätzlich für Bauteile, die kleiner, schneller und anpassungsfähiger sind als heutige Systeme. Bisher scheiterte die Integration jedoch häufig daran, dass klassische Halbleiterprozesse die empfindlichen Molekülschichten beschädigen.

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Nicole Ahner

Standardprozesse und Selbstorganisation kombiniert

Das MIT-Team nutzt deshalb einen entkoppelten Zwei-Schritt-Ansatz. Zunächst werden die wesentlichen Bauteilstrukturen mit etablierten Halbleiterprozessen gefertigt. Erst danach werden die molekularen Materialien eingebracht. So lassen sich konventionelle Fertigungsmethoden nutzen, ohne die empfindlichen Nanomaterialien den belastenden Prozessschritten auszusetzen.

„Indem wir die empfindlichen Materialien erst dann in den Prozess einbringen, nachdem wir die wichtigsten Bauelemente gefertigt haben, können wir konventionelle Prozesse nutzen, die normalerweise nicht mit diesen Nanomaterialien kompatibel sind“, sagt Peter Satterthwaite, Doktorand am Department of Electrical Engineering and Computer Science des MIT und einer der Erstautoren der Veröffentlichung.

Nanokräfte formen den elektrischen Kontakt

Für die Demonstration fertigten die Forschenden zunächst eine Trägerstruktur mit zwei Metallelektroden, die durch einen genau definierten Spalt getrennt sind. Anschließend brachten sie die molekulare Schicht auf die Elektrodenoberflächen auf. Im letzten Schritt nutzten sie Kräfte im Nanomaßstab, um die obere Elektrode schonend auf die Moleküle zu ziehen.

Dabei spielen Kapillarkräfte eine zentrale Rolle. Wenn die Lösung mit den Molekülen verdampft, ziehen diese Kräfte die beiden Metallflächen zusammen. Die Moleküle liegen anschließend zwischen den Elektroden. Van-der-Waals-Kräfte halten die Struktur stabil, ohne die molekulare Schicht zu beschädigen.

„Nanokräfte spielen in unserem Ansatz eine entscheidende Rolle. Statt exakt die Strukturen zu fertigen, die wir am Ende haben wollen, stellen wir etwas mechanisch Bewegliches her und nutzen Kräfte, um es in eine Architektur zu verwandeln, die sich sonst nicht herstellen ließe“, erklärt Sarah Spector, Doktorandin am MIT und ebenfalls Erstautorin der Studie.

Mehr als 1000 Bauteile mit molekularen Schichten

Mit der Methode fertigte das Team mehr als 1000 elektronische Bauteile mit molekularen Schichten, die weniger als 1 Nanometer dick sind. Trotz dieser geringen Abmessungen erreichten die Chips im Durchschnitt eine Ausbeute funktionsfähiger Bauteile von 96 Prozent. Die Bauelemente überstanden zudem zehntausende elektrische Zyklen ohne Anzeichen von Degradation.

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„Die Stabilität sticht wirklich hervor. Das ist eine entscheidende Eigenschaft, um molekulare Bauteile in Richtung praktischer Anwendungen zu bringen, war in diesem Bereich aber eine anhaltende Herausforderung“, sagt Satterthwaite.

Molekulare Speicher als Demonstrator

Die Forschenden zeigten zudem, dass sich die Technik nicht nur für einzelne Bauteile eignet. Sie bauten ein verbundenes Array molekularer Speicherbauteile. Damit adressiert der Ansatz eine wichtige Hürde der Molekularelektronik: den Übergang von isolierten Laborbauteilen zu schaltungs- und systemfähigen Architekturen.

Die Plattform könnte auch auf andere Materialien und Bauteilarchitekturen übertragen werden. Damit eignet sie sich grundsätzlich für neue Klassen multifunktionaler Computer- und Sensorsysteme, bei denen nanoskalige oder quantenmechanische Materialeigenschaften direkt in elektronische Strukturen integriert werden.

Neue Plattform für nanoskalige Materialien

Farnaz Niroui, Associate Professor für Electrical Engineering and Computer Science am MIT und Seniorautorin der Veröffentlichung, sieht in dem Ansatz einen neuen Fertigungsrahmen: „Unsere Plattform verbindet die Skalierbarkeit konventioneller Halbleiterfertigung mit der Präzision und Kontrolle der Selbstorganisation. Damit entsteht ein neuer Fertigungsrahmen für die skalierbare Hochdurchsatzintegration neuer nanoskaliger und quantenmechanischer Materialien, einschließlich Molekülen, in funktionale Bauteile mit Architekturen und Fähigkeiten, die bislang nicht realisierbar waren.“

Mit Blick auf weitere Anwendungen ergänzt sie: „Indem unsere Plattform die unbeschädigte Integration neuer molekularer Materialien und anderer Materie auf atomarer Skala in funktionale Bauteile im großen Maßstab ermöglicht, beschleunigt sie die Entdeckung und Entwicklung dieser Materialien mit maßgeschneiderten Funktionalitäten sowie ihren Einsatz in neuen Technologien.“