Японские специалисты предложили метод придания формы хрупким материалам для приборов нового поколения без нагрева.
Ирина Медведева
Ионные жидкости позволяют проводить сухое травление металлоорганических каркасных структур при комнатной температуре. Источник: Профессор Кентаро Киношита и г-н Коки Эгава из Токийского научного университета, Япония
Коллектив учёных из Токийского научного университета создал подход к формированию микронных узоров на пористых материалах, именуемых металлоорганическими каркасами (МОК), при котором ломкие структуры не повреждаются.
Прежде вырезание мельчайших деталей для современной электроники либо химических сенсоров из подобных материалов нуждалось в затратном охлаждении жидким азотом — иначе энергетические лучи разрушали вещество.
Жидкий ионный наполнитель проникает в микроскопические поры металл-органических каркасов и усиливает их структуру, чтобы та могла принимать тепло и снимать электрические заряды при обычном травлении, проводимом при комнатной температуре.
Такая технология, доступная по цене и пригодная к масштабированию, заметно облегчает встраивание свыше 100 000 известных разновидностей металл-органических каркасов в прикладные решения — например, в высокочувствительные датчики и микрокатализаторы.
Обработка ионными жидкостями повышает стойкость МОК
Перед специалистами по микроскопической электронике давно стояла трудная задача: лучшие исходные материалы разрушались от инструментов, которыми им пытались придать нужную конфигурацию.
Теперь японская исследовательская группа нашла путь к созданию таких хрупких кристаллов посредством приёма, простого, как наполнение губки жидкостью.
Металлоорганические каркасные структуры считают перспективным направлением нынешнего материаловедения. Эти целенаправленно конструируемые материалы, открытые в 1974 году профессором Ричардом Робсоном из Мельбурнского университета, связывают ионы металлов с органическими молекулами, получая гиперпористые структуры.
Вообразите микроскопическую ячейку, у которой один грамм вмещает тысячи квадратных метров внутренней поверхности. Мельчайшие поры такого вещества способны собирать газы, удерживать загрязняющие окружающую среду соединения и ускорять сложные химические реакции.
Инженеры долго присматривались к MOК ради химических датчиков следующего поколения и микроэлектроники. Чтобы этот потенциал превратился в реальное оборудование, требовалось изготовить из материала точные модели микромасштаба.
Стандартное производство полупроводников опирается на сухое травление — обработку материалов высокоэнергетическими ионными пучками, которой снимают микроскопические слои. Но металл-органические каркасы чересчур хрупки для столь сильного воздействия.
Когда ионный пучок попадает на обычный кристалл металл-органического каркаса, хрупкая кристаллическая решётка разваливается, оставляя огромные полости. Единственной защитой этих ломких структур при травлении до сих пор оставалось замораживание жидким азотом. Процесс выходит дорогим и требует особого криогенного оснащения.
Команда под началом доцента Юмэн Чжэн и профессора Кентаро Киношиты предложила решение, пригодное для комнатной температуры. Медный металл-органический каркас пропитали ионной жидкостью, занявшей от 50 до 60 % объёма его внутренних пор. Эта жидкость работает как микроскопическое усиление конструкции.
Высокотехнологичные области применения в будущем
Обработка подготовленных образцов сфокусированным пучком ионов галлия показала заметную разницу. Тепловое излучение пучка поглощала именно ионная жидкость, а электрические заряды в материале перераспределялись.
Испытания на твёрдость доказали: каждый образец, пропитанный жидкостью, стал прочнее, тогда как термический анализ выявил устойчивость материала к разрушению при существенно более высоких температурах.
Примечательно, что металл-органический каркас не утратил структурной целостности. При комнатной температуре на материале выгравировали точные фигуры — микростолбики, квадрат 5 × 5 мкм² и даже китайский иероглиф, у которого ширина линий составляла от 130 до 300 нанометров.
Эти результаты способны наконец проложить дорогу к массовому выпуску материалов на основе MOК. Производителям теперь достаточно придать таким материалам нужную форму на существующем оборудовании для микрообработки — криогенное охлаждение больше не требуется.
«Мы можем предвидеть применение этой технологии в высокочувствительных датчиках, устройствах для разделения и анализа веществ, а также в каталитических устройствах. Эта технология может стать основополагающей для объединения исключительных функциональных возможностей металл-органических каркасных структур с их применением в практических устройствах», — заключил профессор Киношита. Результаты исследования были опубликованы в журнале Communications Materials.
Перспективы практического применения связаны прежде всего с миниатюризацией сенсоров. Металл-органические каркасы способны избирательно улавливать молекулы газов и паров, а высокая удельная поверхность обеспечивает быстрый отклик.
Возможность вырезать в плёнке MOК микроканалы, столбики и другие элементы заданной геометрии открывает путь к созданию компактных аналитических устройств, в которых слой каркаса совмещён с электродами и микрофлюидными трактами. Похожие задачи возникают при разработке микрореакторов, где пористая структура одновременно служит носителем катализатора и средой для смешения реагентов.
Значение исследований
Значение работы выходит за рамки одной лабораторной методики. До сих пор разрыв между синтезом металл-органических каркасов и их превращением в готовые устройства оставался одним из главных препятствий для практического применения этого класса материалов.
Химики научились собирать каркасы с заданной пористостью и функциональностью, однако стандартные операции микроэлектронного производства плохо совместимы с их хрупкой кристаллической решёткой.
Предложенный японскими исследователями приём заполнения пор ионной жидкостью сокращает этот разрыв, поскольку позволяет обрабатывать MOК на том же оборудовании, что используется для обычных полупроводниковых материалов.
Существенно и то, что метод не требует замены существующих технологических линий. Фокусированный ионный пучок, применяемый для травления и осаждения, остаётся тем же инструментом, меняется лишь подготовка образца. Пропитка ионной жидкостью занимает немного времени и не предполагает сложной аппаратуры, а сам наполнитель можно подобрать под конкретный тип каркаса.
Для производителей это означает возможность отрабатывать процессы микрострукурирования на уже имеющемся парке оборудования, не приобретая криогенных систем и не организуя дополнительную инфраструктуру для работы с жидким азотом.
Отдельного внимания заслуживает вопрос совместимости наполнителя с самим материалом. Ионные жидкости обладают низким давлением насыщенного пара, термической стабильностью и настраиваемыми свойствами, что делает их удобными для вакуумных процессов. В эксперименте жидкость занимала лишь часть объёма пор, и этого оказалось достаточно, чтобы заметно повысить стойкость кристалла к тепловой и электрической нагрузке.
Дальнейшие исследования должны показать, насколько полно наполнитель удаляется после обработки и не влияет ли его остаток на сорбционные или каталитические характеристики каркаса.
Немало вопросов остаётся и в области фундаментального понимания процесса. Исследователям предстоит выяснить, как именно распределяется ионная жидкость внутри пор при разных степенях заполнения, какие механизмы отвечают за отвод тепла и заряда и как ведёт себя решётка при длительном воздействии пучка.
Систематическое изучение этих эффектов на разных типах каркасов и разных наполнителях позволит перейти от отдельных демонстраций к предсказуемым технологическим регламентам, пригодным для серийного производства.
Наконец, работа демонстрирует общую тенденцию современного материаловедения: прорыв часто достигается не созданием нового материала, а поиском способа обращаться с уже известным. Более ста тысяч описанных разновидностей металл-органических каркасов представляют собой огромную библиотеку свойств, и вопрос их практического использования во многом сводится к технологиям формообразования.
Метод, предложенный группой из Токийского научного университета, даёт один из инструментов для решения этой задачи и задаёт направление для дальнейших исследований в области микрообработки пористых кристаллов.
