來源：半導(dǎo)體芯科技編譯

美國能源部（DOE）布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室、哥倫比亞大學(xué)和石溪大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種通用方法，用于生產(chǎn)各種設(shè)計的金屬和半導(dǎo)體三維納米結(jié)構(gòu)--下一代半導(dǎo)體器件、神經(jīng)形態(tài)計算和先進(jìn)能源應(yīng)用的潛在基礎(chǔ)材料。

這種新方法使用一種 "黑客 "形式的 DNA，指示分子將自身組織成目標(biāo)三維模式，這是同類方法中第一個利用多種材料類別生產(chǎn)堅固納米結(jié)構(gòu)的方法。這項研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

該研究的通訊作者 Oleg Gang 說："十多年來，我們一直在使用 DNA 對納米級材料進(jìn)行編程，"他是哥倫比亞工程學(xué)院化學(xué)工程和應(yīng)用物理與材料科學(xué)教授，也是功能納米材料中心（CFN）軟納米和生物納米材料組的負(fù)責(zé)人。CFN 是位于布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施。

"現(xiàn)在，我們在以往成就的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了一種將這些基于 DNA 的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為多種類型的功能性無機(jī)三維納米架構(gòu)的方法，這為三維納米制造帶來了巨大的機(jī)遇。"

自組裝是這個團(tuán)隊的DNA

CFN是研究自組裝的領(lǐng)導(dǎo)者，自組裝是分子自發(fā)組織自己的過程。特別是，CFN的科學(xué)家是DNA定向組裝方面的專家。

研究人員對 DNA 鏈進(jìn)行編程，以 "引導(dǎo) "自組裝過程，使分子排列產(chǎn)生有益的特性，如導(dǎo)電性、光敏性和磁性。然后，這些結(jié)構(gòu)就可以升級為功能材料。迄今為止，CFN 已經(jīng)利用 DNA 引導(dǎo)的組裝技術(shù)生產(chǎn)出了可切換薄膜、三維納米超導(dǎo)體等。

"我們已經(jīng)展示了利用DNA定向組裝技術(shù)可以組織的各種類型的結(jié)構(gòu)。但是，要將這項研究提升到一個新的水平，我們不能只依賴 DNA，"Gang 說。"我們需要擴(kuò)展我們的方法，為微電子和半導(dǎo)體器件等先進(jìn)技術(shù)制造具有更特殊功能的更堅固的結(jié)構(gòu)"。

最近，Gang 和包括幾名學(xué)生在內(nèi)的同事們在 DNA 晶格上生長出了二氧化硅（硅的一種氧化形式）。加入二氧化硅后，結(jié)構(gòu)更加堅固，但這一過程并不能廣泛適用于不同的材料。研究小組仍需進(jìn)一步研究，以開發(fā)出一種能高效生產(chǎn)金屬和半導(dǎo)體材料的方法。

堆疊技術(shù)（和專業(yè)知識）

為了建立一種更通用的三維納米結(jié)構(gòu)生產(chǎn)方法，CFN 的軟納米材料和生物納米材料小組的研究人員與該中心的電子納米材料小組進(jìn)行了合作。

第一作者亞倫-米切爾森（Aaron Michelson）說："CFN 不同研究小組之間的關(guān)系對每個人來說都非常富有成效，"他是 CFN 的一名博士后研究員，在哥倫比亞大學(xué)讀研究生時就開始了這項研究。

"我們的生物和軟物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室與材料合成實(shí)驗(yàn)室相鄰，而材料合成實(shí)驗(yàn)室又與電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室相鄰，因此這是一種非常協(xié)同的關(guān)系。CFN的文化讓我們更容易進(jìn)行研究迭代，除此之外，我們周圍還有我們需要的所有先進(jìn)設(shè)備。

電子納米材料小組的科學(xué)家們開創(chuàng)了一種名為氣相滲透的新型材料合成技術(shù)。這種技術(shù)將氣相形式的前驅(qū)體化學(xué)品與納米級晶格結(jié)合在一起，超越表面并深入材料結(jié)構(gòu)。

在 Gang 團(tuán)隊之前利用含有金屬元素的前驅(qū)體構(gòu)建的二氧化硅結(jié)構(gòu)上采用這種技術(shù)，使研究人員能夠制造出三維金屬結(jié)構(gòu)。

共同通訊作者、CFN 電子納米材料組科學(xué)家 Chang-Yong Nam 說："我們已經(jīng)將這項技術(shù)用于其他應(yīng)用，如改進(jìn)微電子材料或氫氣分離膜，當(dāng)我們意識到它可以應(yīng)用于 DNA 引導(dǎo)組裝時，我們就已經(jīng)開始使用這項技術(shù)了。

Nam 領(lǐng)導(dǎo)的研究項目旨在開發(fā)用于微電子和能源技術(shù)應(yīng)用的氣相滲透合成方法。"這非常令人興奮"。

研究小組還進(jìn)行了液相滲透實(shí)驗(yàn)，這是另一種在材料表面形成化學(xué)鍵的技術(shù)，只不過使用的是液態(tài)前驅(qū)體。在這種情況下，研究小組將不同的金屬鹽粘合到二氧化硅上，形成了各種金屬結(jié)構(gòu)。

Gang說："通過液相和氣相滲透技術(shù)，我們將單元素和多元素涂層結(jié)合在一起，既保留了底層DNA晶格，又實(shí)現(xiàn)了三維無機(jī)納米結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。"

Michelson補(bǔ)充說："另一種思考我們?nèi)绾谓ㄔ爝@些結(jié)構(gòu)的方法是把它比作建造一座房子。首先，你要建造骨骼——房子里的木材或這些材料中的二氧化硅。然后，你開始添加功能部件，比如絕緣材料或金屬元素。

可用于房屋和納米材料的功能成分種類繁多。例如，為了保護(hù)房屋免受風(fēng)暴侵襲，有些房屋需要防颶風(fēng)的窗戶，有些房屋需要加高地基。其他房屋則需要類似這些獨(dú)特功能部件的組合，納米材料也是如此。因此，為了通過單一方法生產(chǎn)出種類最豐富的功能性納米結(jié)構(gòu)，研究小組決定將兩種滲透技術(shù)疊加使用。

Michelson說："這些技術(shù)的疊加顯示出比以往任何時候都更深入的控制。"無論氣相滲透的前驅(qū)體是什么，都可以與各種與液相滲透兼容的金屬鹽結(jié)合，從而創(chuàng)造出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。例如，我們能夠在一個納米結(jié)構(gòu)上結(jié)合鉑、鋁和鋅。"

這種通用方法對于制造各種材料成分的三維納米結(jié)構(gòu)非常有效，其效果之好令研究人員感到驚訝。研究小組能夠制造出含有鋅、鋁、銅、鉬、鎢、銦、錫和鉑的不同組合的三維納米結(jié)構(gòu)。這是首次展示如何制造高度結(jié)構(gòu)化的三維納米材料。

Michelson說："這項實(shí)驗(yàn)最令人驚訝的一點(diǎn)是，我們能夠使用相同的工藝規(guī)程，以直接、可重復(fù)和穩(wěn)健的方式，成功制造出如此多不同材料成分的納米結(jié)構(gòu)。"

"通常情況下，像這樣的研究，你需要花費(fèi)大量的時間，日復(fù)一日地只嘗試一種材料。而在這里，幾乎所有我們嘗試過的東西都能很快奏效，而且在某些時候，我們不得不停止生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲覀兿氚阉鼘懗鰜怼?/p>

眼見為實(shí)

為了證明這種方法在他們開發(fā)的每種納米結(jié)構(gòu)上都取得了成功，甚至達(dá)到了最精細(xì)的程度，研究人員利用了 CFN 和國家同步輻射光源 II (NSLS-II) 的專業(yè)知識和世界一流的成像設(shè)施。NSLS-II 是位于布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施，可產(chǎn)生超亮 X 射線，以原子尺度照亮樣品的物理、化學(xué)和電子構(gòu)成。

Michelson說："我們不僅制造出了所有這些納米結(jié)構(gòu)，而且還對它們逐一進(jìn)行了全面表征，以嘗試進(jìn)一步了解和加工它們。"最初，這些材料可能以某種中間狀態(tài)存在，我們可以將其進(jìn)一步加工成最終的、功能更強(qiáng)的有用狀態(tài)。"

為半導(dǎo)體器件等技術(shù)制造有用的材料需要具備多種特性。

在這項研究中，研究人員賦予了三維納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性和光活性。例如，他們首先使用絕緣材料，然后通過結(jié)合了兩種浸潤技術(shù)的DNA定向組裝新方法，添加氧化鋅等半導(dǎo)體金屬氧化物，這樣納米結(jié)構(gòu)就能繼承其導(dǎo)電性和光致發(fā)光性。

最后，對于所有最終產(chǎn)品，他們都將樣品帶到布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的成像設(shè)備上查看其體積構(gòu)成。

在CFN，研究小組利用電子顯微鏡設(shè)備，在氣相浸潤、液相浸潤和兩種技術(shù)疊加后，對所用的每一種前體結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了高分辨率觀察。

他們結(jié)合使用了透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡，這兩種顯微鏡分別通過分析電子如何反彈或穿過樣品來生成具有納米級分辨率的圖像。

通過這些技術(shù)，研究人員能夠繪制出納米結(jié)構(gòu)的圖片，并在樣品的小范圍內(nèi)高精度地繪制出它們的化學(xué)排列圖。

為了在更大范圍內(nèi)獲得這些信息的三維視圖，研究小組使用了 NSLS-II 的復(fù)雜材料散射 (CMS) 光束線和硬 X 射線納米探針 (HXN) 光束線。

CMS 是由 NSLS-II 和 CFN 共同運(yùn)營的合作光束線。在那里，研究人員將 NSLS-II 的超亮 X 射線對準(zhǔn)他們的樣品，觀察 X 射線如何散射，從而推斷出納米結(jié)構(gòu)的三維原子排列。與此同時，HXN 提供了對結(jié)構(gòu)及其化學(xué) "地圖 "的直接三維成像。

研究人員使用了 HXN 的主要技術(shù)——X 射線納米層析成像技術(shù)，其功能類似于醫(yī)學(xué) CT 掃描。光束線捕捉樣品的 180 個二維投影，每次旋轉(zhuǎn)一度。然后，計算機(jī)根據(jù)一系列投影構(gòu)建三維圖像。但與 CT 掃描不同的是，HXN 結(jié)合了納米探針，以納米分辨率捕捉投影。

"這種類型的化學(xué)細(xì)節(jié)是其他技術(shù)或任何其他設(shè)備都無法捕捉到的，"HXN 光束線首席科學(xué)家、合著者Hanfei Yan說。"由于納米結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這些信息對這項研究非常重要。揭示元素分布有助于我們確定新方法是否有效，以及涂層是否完全穿透了晶格"。

Michelson 說："HXN 為我們提供了空間和元素分辨率，這是我們在其他地方無法實(shí)現(xiàn)的。HXN 幫助我們確認(rèn)，這些涂層不僅存在于材料表面，而且實(shí)際上與樣品的體積有關(guān)。

該研究小組以前曾利用這種技術(shù)以單顆粒分辨率揭示了DNA晶格的三維結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，這項技術(shù)使他們能夠揭示樣品深處的金屬和半導(dǎo)體納米特征的排列，這對于驗(yàn)證其制造方法的真實(shí)性和威力非常重要。

讓世界領(lǐng)先的研究成果為人們所用

在確認(rèn)其新方法取得成功后，CFN 現(xiàn)在將致力于將該方法應(yīng)用于更復(fù)雜的研究，并提供給來訪的科學(xué)家。作為用戶設(shè)施，CFN 將其能力和專業(yè)知識提供給全國乃至全世界的 "用戶"。協(xié)助用戶實(shí)驗(yàn)不僅為外部研究人員提供了他們通常無法獲得的工具，還為新的合作和科學(xué)構(gòu)想打開了大門，否則這些合作和構(gòu)想將永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)。

Gang說："我們開發(fā)這些材料和方法，這對我們自己在CFN的項目很有意義，但我們也希望看到用戶利用這些方法進(jìn)行自己的研究。"我們一直致力于推廣我們的方法，并將新的研究人員與我們的開發(fā)成果聯(lián)系起來。我們希望我們的工作能惠及更廣泛的科學(xué)界，而不僅僅是布魯克海文實(shí)驗(yàn)室。"

CFN 的專業(yè)知識和設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)使這項研究受益匪淺，同時也使用戶受益匪淺，CFN 還在不斷擴(kuò)大其服務(wù)范圍，使用戶更容易獲得這些服務(wù)。例如，科學(xué)家們正在尋求將新的研究方法應(yīng)用到中心最新的工具之一——液體處理機(jī)器人中。

"開發(fā)這些方法和發(fā)表論文只是 CFN 整體任務(wù)的一部分，"合著者、CFN 軟納米材料和生物納米材料組的科學(xué)家 Jason Kahn 說。

"CFN的另一個主要目標(biāo)是使我們的工作和設(shè)施更易于使用，這意味著要為用戶制定一個高通量合成材料的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。我們希望用戶能夠?qū)ξ覀冋f，'我想用這種厚度、結(jié)構(gòu)和成分制造這種材料，以獲得這些特定的性能'。'液體處理機(jī)的實(shí)施將促進(jìn)這一協(xié)議的達(dá)成。

CFN 還研究納米材料的機(jī)械性能，正如該研究小組最近在另一項研究中顯示的那樣，這項工作中開發(fā)的材料在提高機(jī)械性能方面具有巨大潛力。

總之，CFN 創(chuàng)造可設(shè)計、堅固耐用、功能可調(diào)的三維納米結(jié)構(gòu)的新方法為小規(guī)模先進(jìn)制造的突破奠定了基礎(chǔ)。他們的研究工作可以促進(jìn)各種新興技術(shù)的發(fā)展，并將為布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)計劃和用戶提供新的機(jī)會。

審核編輯 黃宇