煤炭——别烧它，用它计算某种化石燃料可用作晶体管的二维绝缘膜

来源：半导体芯科技编译

美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室、哥伦比亚大学和石溪大学的科学家们已经开发出一种通用方法，用于生产各种设计的金属和半导体三维纳米结构--下一代半导体器件、神经形态计算和先进能源应用的潜在基础材料。

这种新方法使用一种 "黑客 "形式的 DNA，指示分子将自身组织成目标三维模式，这是同类方法中第一个利用多种材料类别生产坚固纳米结构的方法。这项研究发表在《科学进展》（Science Advances）上。

该研究的通讯作者 Oleg Gang 说："十多年来，我们一直在使用 DNA 对纳米级材料进行编程，"他是哥伦比亚工程学院化学工程和应用物理与材料科学教授，也是功能纳米材料中心（CFN）软纳米和生物纳米材料组的负责人。CFN 是位于布鲁克海文实验室的能源部科学办公室用户设施。

"现在，我们在以往成就的基础上，开发出了一种将这些基于 DNA 的结构转化为多种类型的功能性无机三维纳米架构的方法，这为三维纳米制造带来了巨大的机遇。"

自组装是这个团队的DNA

CFN是研究自组装的领导者，自组装是分子自发组织自己的过程。特别是，CFN的科学家是DNA定向组装方面的专家。

研究人员对 DNA 链进行编程，以 "引导 "自组装过程，使分子排列产生有益的特性，如导电性、光敏性和磁性。然后，这些结构就可以升级为功能材料。迄今为止，CFN 已经利用 DNA 引导的组装技术生产出了可切换薄膜、三维纳米超导体等。

"我们已经展示了利用DNA定向组装技术可以组织的各种类型的结构。但是，要将这项研究提升到一个新的水平，我们不能只依赖 DNA，"Gang 说。"我们需要扩展我们的方法，为微电子和半导体器件等先进技术制造具有更特殊功能的更坚固的结构"。

最近，Gang 和包括几名学生在内的同事们在 DNA 晶格上生长出了二氧化硅（硅的一种氧化形式）。加入二氧化硅后，结构更加坚固，但这一过程并不能广泛适用于不同的材料。研究小组仍需进一步研究，以开发出一种能高效生产金属和半导体材料的方法。

堆叠技术（和专业知识）

为了建立一种更通用的三维纳米结构生产方法，CFN 的软纳米材料和生物纳米材料小组的研究人员与该中心的电子纳米材料小组进行了合作。

第一作者亚伦-米切尔森（Aaron Michelson）说："CFN 不同研究小组之间的关系对每个人来说都非常富有成效，"他是 CFN 的一名博士后研究员，在哥伦比亚大学读研究生时就开始了这项研究。

"我们的生物和软物质实验室与材料合成实验室相邻，而材料合成实验室又与电子显微镜实验室相邻，因此这是一种非常协同的关系。CFN的文化让我们更容易进行研究迭代，除此之外，我们周围还有我们需要的所有先进设备。

电子纳米材料小组的科学家们开创了一种名为气相渗透的新型材料合成技术。这种技术将气相形式的前驱体化学品与纳米级晶格结合在一起，超越表面并深入材料结构。

在 Gang 团队之前利用含有金属元素的前驱体构建的二氧化硅结构上采用这种技术，使研究人员能够制造出三维金属结构。

共同通讯作者、CFN 电子纳米材料组科学家 Chang-Yong Nam 说："我们已经将这项技术用于其他应用，如改进微电子材料或氢气分离膜，当我们意识到它可以应用于 DNA 引导组装时，我们就已经开始使用这项技术了。

Nam 领导的研究项目旨在开发用于微电子和能源技术应用的气相渗透合成方法。"这非常令人兴奋"。

研究小组还进行了液相渗透实验，这是另一种在材料表面形成化学键的技术，只不过使用的是液态前驱体。在这种情况下，研究小组将不同的金属盐粘合到二氧化硅上，形成了各种金属结构。

Gang说："通过液相和气相渗透技术，我们将单元素和多元素涂层结合在一起，既保留了底层DNA晶格，又实现了三维无机纳米结构的生产。"

Michelson补充说："另一种思考我们如何建造这些结构的方法是把它比作建造一座房子。首先，你要建造骨骼——房子里的木材或这些材料中的二氧化硅。然后，你开始添加功能部件，比如绝缘材料或金属元素。

可用于房屋和纳米材料的功能成分种类繁多。例如，为了保护房屋免受风暴侵袭，有些房屋需要防飓风的窗户，有些房屋需要加高地基。其他房屋则需要类似这些独特功能部件的组合，纳米材料也是如此。因此，为了通过单一方法生产出种类最丰富的功能性纳米结构，研究小组决定将两种渗透技术叠加使用。

Michelson说："这些技术的叠加显示出比以往任何时候都更深入的控制。"无论气相渗透的前驱体是什么，都可以与各种与液相渗透兼容的金属盐结合，从而创造出更复杂的结构。例如，我们能够在一个纳米结构上结合铂、铝和锌。"

这种通用方法对于制造各种材料成分的三维纳米结构非常有效，其效果之好令研究人员感到惊讶。研究小组能够制造出含有锌、铝、铜、钼、钨、铟、锡和铂的不同组合的三维纳米结构。这是首次展示如何制造高度结构化的三维纳米材料。

Michelson说："这项实验最令人惊讶的一点是，我们能够使用相同的工艺规程，以直接、可重复和稳健的方式，成功制造出如此多不同材料成分的纳米结构。"

"通常情况下，像这样的研究，你需要花费大量的时间，日复一日地只尝试一种材料。而在这里，几乎所有我们尝试过的东西都能很快奏效，而且在某些时候，我们不得不停止生产结构，因为我们想把它写出来。

眼见为实

为了证明这种方法在他们开发的每种纳米结构上都取得了成功，甚至达到了最精细的程度，研究人员利用了 CFN 和国家同步辐射光源 II (NSLS-II) 的专业知识和世界一流的成像设施。NSLS-II 是位于布鲁克海文实验室的能源部科学办公室用户设施，可产生超亮 X 射线，以原子尺度照亮样品的物理、化学和电子构成。

Michelson说："我们不仅制造出了所有这些纳米结构，而且还对它们逐一进行了全面表征，以尝试进一步了解和加工它们。"最初，这些材料可能以某种中间状态存在，我们可以将其进一步加工成最终的、功能更强的有用状态。"

为半导体器件等技术制造有用的材料需要具备多种特性。

在这项研究中，研究人员赋予了三维纳米结构导电性和光活性。例如，他们首先使用绝缘材料，然后通过结合了两种浸润技术的DNA定向组装新方法，添加氧化锌等半导体金属氧化物，这样纳米结构就能继承其导电性和光致发光性。

最后，对于所有最终产品，他们都将样品带到布鲁克海文实验室的成像设备上查看其体积构成。

在CFN，研究小组利用电子显微镜设备，在气相浸润、液相浸润和两种技术叠加后，对所用的每一种前体结构都进行了高分辨率观察。

他们结合使用了透射电子显微镜和扫描电子显微镜，这两种显微镜分别通过分析电子如何反弹或穿过样品来生成具有纳米级分辨率的图像。

通过这些技术，研究人员能够绘制出纳米结构的图片，并在样品的小范围内高精度地绘制出它们的化学排列图。

为了在更大范围内获得这些信息的三维视图，研究小组使用了 NSLS-II 的复杂材料散射 (CMS) 光束线和硬 X 射线纳米探针 (HXN) 光束线。

CMS 是由 NSLS-II 和 CFN 共同运营的合作光束线。在那里，研究人员将 NSLS-II 的超亮 X 射线对准他们的样品，观察 X 射线如何散射，从而推断出纳米结构的三维原子排列。与此同时，HXN 提供了对结构及其化学 "地图 "的直接三维成像。

研究人员使用了 HXN 的主要技术——X 射线纳米层析成像技术，其功能类似于医学 CT 扫描。光束线捕捉样品的 180 个二维投影，每次旋转一度。然后，计算机根据一系列投影构建三维图像。但与 CT 扫描不同的是，HXN 结合了纳米探针，以纳米分辨率捕捉投影。

"这种类型的化学细节是其他技术或任何其他设备都无法捕捉到的，"HXN 光束线首席科学家、合著者Hanfei Yan说。"由于纳米结构的复杂性，这些信息对这项研究非常重要。揭示元素分布有助于我们确定新方法是否有效，以及涂层是否完全穿透了晶格"。

Michelson 说："HXN 为我们提供了空间和元素分辨率，这是我们在其他地方无法实现的。HXN 帮助我们确认，这些涂层不仅存在于材料表面，而且实际上与样品的体积有关。

该研究小组以前曾利用这种技术以单颗粒分辨率揭示了DNA晶格的三维结构。现在，这项技术使他们能够揭示样品深处的金属和半导体纳米特征的排列，这对于验证其制造方法的真实性和威力非常重要。

让世界领先的研究成果为人们所用

在确认其新方法取得成功后，CFN 现在将致力于将该方法应用于更复杂的研究，并提供给来访的科学家。作为用户设施，CFN 将其能力和专业知识提供给全国乃至全世界的 "用户"。协助用户实验不仅为外部研究人员提供了他们通常无法获得的工具，还为新的合作和科学构想打开了大门，否则这些合作和构想将永远无法实现。

Gang说："我们开发这些材料和方法，这对我们自己在CFN的项目很有意义，但我们也希望看到用户利用这些方法进行自己的研究。"我们一直致力于推广我们的方法，并将新的研究人员与我们的开发成果联系起来。我们希望我们的工作能惠及更广泛的科学界，而不仅仅是布鲁克海文实验室。"

CFN 的专业知识和设施生态系统使这项研究受益匪浅，同时也使用户受益匪浅，CFN 还在不断扩大其服务范围，使用户更容易获得这些服务。例如，科学家们正在寻求将新的研究方法应用到中心最新的工具之一——液体处理机器人中。

"开发这些方法和发表论文只是 CFN 整体任务的一部分，"合著者、CFN 软纳米材料和生物纳米材料组的科学家 Jason Kahn 说。

"CFN的另一个主要目标是使我们的工作和设施更易于使用，这意味着要为用户制定一个高通量合成材料的标准协议。我们希望用户能够对我们说，'我想用这种厚度、结构和成分制造这种材料，以获得这些特定的性能'。'液体处理机的实施将促进这一协议的达成。

CFN 还研究纳米材料的机械性能，正如该研究小组最近在另一项研究中显示的那样，这项工作中开发的材料在提高机械性能方面具有巨大潜力。

总之，CFN 创造可设计、坚固耐用、功能可调的三维纳米结构的新方法为小规模先进制造的突破奠定了基础。他们的研究工作可以促进各种新兴技术的发展，并将为布鲁克海文实验室的科学计划和用户提供新的机会。

审核编辑 黄宇