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Come tagliare materiali 2D delle dimensioni di un atomo

Un gruppo di ricercatori ha sviluppato una tecnologia ad alta precisione per scolpire minuscoli motivi in particelle fini a livello atomico per applicazioni potenziali nella fabbricazione di nanodispositivi elettronici e fotonici.

Tecnologie industriali

Negli ultimi anni i materiali 2D con uno spessore di pochi nanometri o meno sono sotto i riflettori grazie alle loro proprietà peculiari quali la struttura stratificata, l’elevata area superficiale e variazioni della composizione chimica. Queste caratteristiche li rendono potenziali sostituti per diversi materiali tradizionali con applicazioni nei transistor a effetto di campo e nei sensori elettrochimici e fisici. Tali materiali sono utilizzati nell’elettronica indossabile, nell’optoelettronica e nella tecnologia dei semiconduttori. Per la maggior parte delle applicazioni con i materiali 2D, le nanostrutture funzionali devono essere incise tramite litografia, la quale può essere un processo impegnativo dato che l’impiego di sostanze chimiche aggressive o di particelle elettricamente cariche accelerate, quali elettroni e ioni, possono danneggiare le proprietà del materiale. Per affrontare questa sfida, un gruppo di ricercatori ha sviluppato una tecnologia che utilizza uno scalpello in miniatura per tagliare in modo accurato e diretto i materiali 2D. Sostenuto dal progetto MEMS 4.0 finanziato dall’UE, il gruppo «ha usato una nuova tecnica di strutturazione in nanoscala denominata litografia termica a scansione di sonda (t-SPL, thermal Scanning Probe Lithography), che funziona in modo simile a un microscopio a forza atomica», come spiegato in un articolo del Politecnico federale di Losanna (EPFL, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) in Svizzera, promotore del progetto MEMS 4.0. I ricercatori hanno pubblicato il loro studio nella rivista «Advanced Materials». «Qui viene dimostrata una tecnica di indentazione termomeccanica, che consente il taglio diretto di materiali 2D utilizzando una nanopunta di scansione riscaldata; in materiali 2D monostrato si ottengono tagli sagomati in modo discrezionale con una risoluzione di 20 nm, (ad esempio il tellururo di molibdeno (MoTe2), il solfuro di molibdeno (MoS2) e il seleniuro di molibdeno (MoSe2)) scindendo in modo termomeccanico i legami chimici e con una rapida sublimazione dello strato del polimero sotto lo strato del materiale 2D».

Applicazioni varie

Citata nell’articolo di EPFL, la dottoressa Ana Conde Rubio, autrice dello studio, commenta: «Abbiamo utilizzato il calore per modificare il supporto, renderlo più versatile e, in alcuni casi, persino tramutarlo in un gas: in questo modo possiamo incidere più facilmente il materiale 2D». Il dottor Samuel Tobias Howell, autore dello studio, aggiunge: «Abbiamo usato un sistema computerizzato per controllare il processo di riscaldamento e di raffreddamento ultra rapido e il posizionamento della punta. Questo ci ha permesso di fabbricare indentature predefinite tali da creare, ad esempio, i nanoribbon che sono utilizzati nei dispositivi nanoelettronici». La tecnica potrebbe essere utile per applicazioni nella nanoelettronica, nella nanofotonica e nella nanobiotecnologia, «dato che contribuirà a rendere più piccoli e più efficienti i componenti elettronici», secondo la dottoressa Xia Liu, un’altra autrice dello studio. Nella fase successiva, «la ricerca si concentrerà nel considerare una vasta gamma di materiali e nel trovare combinazioni che funzioneranno nei nanosistemi integrati. Attività future rivisiteranno inoltre la progettazione della trave a sbalzo e della nanopunta per migliorare le prestazioni del nanotaglio», come dichiarato nell’articolo. Il professor Jürgen Brugger spiega: «I sistemi microelettromeccanici (MEMS) a base di polimeri hanno molte applicazioni potenziali biomediche ed elettroniche, ma siamo ancora nella fase iniziale dello sviluppo di tecniche per progettare polimeri funzionali in microsistemi 3D». Jürgen Brugger «spera di superare i confini e trovare nuovi materiali e processi per i MEMS concentrandosi sullo stencil, sul processo di stampa, sull’autoassemblaggio diretto di nanomateriali e sull’elaborazione termica localizzata». Il progetto MEMS 4.0 (Additive Micro-Manufacturing for Plastic Micro-electro-Mechanical-Systems), che ha fornito i finanziamenti per lo studio, si protrarrà fino a settembre 2022. «MEMS 4.0 in analogia con il concetto dell’industria 4.0 è volto a eseguire una ricerca coordinata nella produzione additiva su micro e nanoscala e nelle tecniche fondamentali correlate», come osservato nella scheda informativa del progetto. Per maggiori informazioni, consultare: progetto MEMS 4.0

Parole chiave

MEMS 4.0, nanoelettronica, materiale 2D, produzione additiva, microelettromeccanica