制造微芯片和其他纳米级器件的新的、更可持续的方法

将500亿个晶体管放入指甲大小的微芯片中是一项壮举，需要纳米级精度的制造方法——将薄膜分层，然后蚀刻、沉积或使用光刻来创建半导体、绝缘体、金属和其他材料的图案，这些材料构成了芯片内微小的工作器件

该过程严重依赖于在每一层中携带和沉积材料的溶剂——这些溶剂可能难以处理且对环境有毒

现在，由塔夫茨大学Frank C.Doble工程教授Fiorenzo Omenetto领导的研究人员开发了一种纳米制造方法，该方法使用水作为主要溶剂，使其更环保，并为开发结合无机和生物材料的设备打开了大门。这项研究发表在《自然纳米技术》杂志上

使用水作为溶剂的挑战在于，在制造过程中接触到的材料通常是疏水的，这意味着它们会排斥水。类似于打蜡良好的汽车上的水珠，硅片或其他材料的表面可能无法均匀地涂覆水基材料

塔夫茨大学丝素实验室的Omenetto和他的团队发现，普通丝绸的蛋白质构建块，称为丝素蛋白，可以显著增强水均匀覆盖几乎任何表面的能力，具体取决于丝素蛋白的添加量

其他改变水性质的表面活性剂在商业生产中用于解决这个问题，但丝素蛋白的用量可以大大减少，产生高质量的结果，并且对生物和环境友好

Omenetto表示：“这为设备制造带来了巨大的机遇。”。“不仅可以在硅上沉积水溶性材料和金属，还可以在各种聚合物上沉积。我们甚至可以在几乎任何表面上以纳米精度沉积和打印生物分子。”Omenetto和他的团队在早期的研究中证明了这种能力，创造了一种混合硅生物晶体管，可以对环境做出反应，在数字和模拟处理之间过渡，甚至可以成为神经形态（类脑）设备的先驱

例如，生物分子已与电子技术结合用于检测血液中的葡萄糖、指示感染的抗体和识别突变的DNA片段，但将它们集成到微芯片等常见的纳米制造设备中，可以设计出对健康和环境有反应的下一代生物传感器和处理器

目前使用水基处理的研究中展示的纳米器件包括许多如今在计算机、智能手机、太阳能电池和其他技术中广泛使用的组件：

主要用于显示技术、柔性电子产品、图像检测和触摸屏的铟镓锌氧化物晶体管用于晶体管中控制电子流动的氧化铝绝缘体用于光学滤波器、太阳能电池、透明显示器的氧化镍薄膜，以及用于高效太阳能电池、发光二极管、光探测器、激光器和存储的钙钛矿薄膜

这些组件的性能与商业开发的同类产品相匹配。研究人员表示，事实上，微芯片和其他纳米器件的水基制造可以很容易地替代到当前的制造工艺中 More information: Taehoon Kim et al, Silk fibroin as a surfactant for water-based nanofabrication, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01720-3

Journal information: Nature Nanotechnology