マイクロ構造およびナノ構造の指向性アセンブリ

マイクロ構造およびナノ構造の指向性アセンブリは、マイクロからナノサイズのデバイスや材料を大量生産する方法です。指向性アセンブリにより、マイクロ粒子やナノ粒子のアセンブリを正確に制御して、最も複雑で高機能なデバイスや材料を形成できます。^{[ 1 ]}

指向性自己組織化 (DSA) は、ブロック共重合体の形態を利用して線、空間、穴のパターンを作成し、特徴形状をより正確に制御できるようにする指向性アセンブリの一種です。その後、表面相互作用とポリマーの熱力学を使用して、最終的なパターン形状の形成を完了します。^{[ 1 ]} 10 nm 未満の解像度を可能にする表面相互作用を制御するために 、マサチューセッツ工科大学、シカゴ大学、アルゴンヌ国立研究所からなるチームは、2017 年にブロック共重合体フィルム上に気相堆積ポリマートップ層を使用する方法を開発しました。^{[ 2 ]}

DSAは単独のプロセスではなく、マイクロ構造やナノ構造を低コストで大量生産するために、従来の製造プロセスと統合されています。指向性自己組織化は主に半導体産業とハードドライブ産業で使用されています。半導体産業では、解像度を向上させるため（より多くのゲートを収めるため）にこの組み立て方法を使用し、ハードドライブ産業では、指定された記憶密度に従って「ビットパターンメディア」を製造するためにDSAを使用しています。^{[ 3 ]}

組織工学からポリマー薄膜まで、マイクロスケールでの指向性アセンブリには多くの応用例があります。組織工学では、指向性アセンブリによって、組織構築の足場アプローチに取って代わることが可能になりました。これは、組織の「構成要素」であるさまざまな細胞の位置と組織化を制御して、さまざまな望ましい微細構造を形成することによって実現されます。これにより、足場アプローチにおける大きな問題である、同じ組織を再現できないというエラーが解消されます。^{[ 4 ]}

ナノテクノロジーは、分子、ポリマー、ビルディングブロックなどの材料を組織化して、多くの用途を持つ精密なナノ構造を形成する方法を提供します。 ^{[ 5 ]}ペプチドの自己組織化によるナノチューブの形成プロセスと応用では、グラフェンシートがシリンダーにシームレスに巻き付いた単層カーボンナノチューブがその一例です。これは、遷移金属で濃縮されたグラファイトのレーザー蒸発によって、カーボンの外部流で生成されます。^{[ 6 ]}

ナノインプリントリソグラフィーは、ナノメートルスケールのパターンを作製するための一般的な手法です。パターンは、インプリントレジスト（モノマーまたはポリマー組成物）の機械的変形とそれに続く工程によって形成されます。その後、熱または紫外線で硬化させ、レジストとテンプレートの密着度を目的に応じて適切な条件下で制御します。さらに、ナノインプリントリソグラフィーは、低コストで高解像度かつ高スループットを実現できます。欠点としては、テンプレート作製に時間がかかること、標準的な手順が確立されていないため複数の作製方法が存在すること、そして形成可能なパターンの種類が限られていることが挙げられます。

ナノテクノロジーを電子機器に応用しながらこれらの欠点を軽減することを目的として、ノースイースタン大学の国立科学財団ナノスケール科学工学センター（CHN）の研究者らは、パートナーであるマサチューセッツ大学ローウェル校およびニューハンプシャー大学とともに、単層カーボンナノチューブ（SWNT）ネットワークの指向性アセンブリプロセスを開発し、ある基板から別の基板に転写できる回路テンプレートを作成しました。^{[ 7 ]}

自己組織化単分子膜（SAM）は、有機分子の層から構成され、所望の基板表面に規則的な格子状に自然に形成される。格子内の分子は、一方の端（ヘッド基）で化学的に結合しており、もう一方の端（エンド基）がSAMの表面を形成する。

SAMには多くの種類があります。例えば、チオールは金、銀、銅、またはInPやGaAsなどの化合物半導体上にSAMを形成します。分子の末端基を変えることで、異なる表面特性が得られます。したがって、SAMは表面を疎水性または親水性にしたり、半導体の表面状態を変えたりするために使用できます。自己組織化により、SAMの配置は化学システムを正確に定義し、分子無機デバイス内のターゲット位置を見つけるために使用されます。この特性により、SAMは分子電子デバイスに適した候補であり、SAMを使用して電子デバイスや回路を構築することは興味深い展望です。非常に高密度のデータストレージと高速デバイスの基盤を提供する能力があるためです。^{[ 8 ]}