煤炭——別燒它，用它計算某種化石燃料可用作晶體管的二維絕緣膜

來源：半導體芯科技編譯

美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室、哥倫比亞大學和石溪大學的科學家們已經開發(fā)出一種通用方法，用于生產各種設計的金屬和半導體三維納米結構--下一代半導體器件、神經形態(tài)計算和先進能源應用的潛在基礎材料。

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三維模式，這是同類方法中第一個利用多種材料類別生產堅固納米結構的方法。這項研究發(fā)表在《科學進展》（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 對納米級材料進行編程，"他是哥倫比亞工程學院化學工程和應用物理與材料科學教授，也是功能納米材料中心（CFN）軟納米和生物納米材料組的負責人。CFN 是位于布魯克海文實驗室的能源部科學辦公室用戶設施。

"現(xiàn)在，我們在以往成就的基礎上，開發(fā)出了一種將這些基于 DNA 的結構轉化為多種類型的功能性無機三維納米架構的方法，這為三維納米制造帶來了巨大的機遇。"

自組裝是這個團隊的DNA

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

研究人員對 DNA 鏈進行編程，以 "引導 "自組裝過程，使分子排列產生有益的特性，如導電性、光敏性和磁性。然后，這些結構就可以升級為功能材料。迄今為止，CFN 已經利用 DNA 引導的組裝技術生產出了可切換薄膜、三維納米超導體等。

"我們已經展示了利用DNA定向組裝技術可以組織的各種類型的結構。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。"我們需要擴展我們的方法，為微電子和半導體器件等先進技術制造具有更特殊功能的更堅固的結構"。

最近，Gang 和包括幾名學生在內的同事們在 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，結構更加堅固，但這一過程并不能廣泛適用于不同的材料。研究小組仍需進一步研究，以開發(fā)出一種能高效生產金屬和半導體材料的方法。

堆疊技術（和專業(yè)知識）

為了建立一種更通用的三維納米結構生產方法，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，在哥倫比亞大學讀研究生時就開始了這項研究。

"我們的生物和軟物質實驗室與材料合成實驗室相鄰，而材料合成實驗室又與電子顯微鏡實驗室相鄰，因此這是一種非常協(xié)同的關系。CFN的文化讓我們更容易進行研究迭代，除此之外，我們周圍還有我們需要的所有先進設備。

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

在 Gang 團隊之前利用含有金屬元素的前驅體構建的二氧化硅結構上采用這種技術，使研究人員能夠制造出三維金屬結構。

共同通訊作者、CFN 電子納米材料組科學家 Chang-Yong Nam 說："我們已經將這項技術用于其他應用，如改進微電子材料或氫氣分離膜，當我們意識到它可以應用于 DNA 引導組裝時，我們就已經開始使用這項技術了。

Nam 領導的研究項目旨在開發(fā)用于微電子和能源技術應用的氣相滲透合成方法。"這非常令人興奮"。

研究小組還進行了液相滲透實驗，這是另一種在材料表面形成化學鍵的技術，只不過使用的是液態(tài)前驅體。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，形成了各種金屬結構。

Gang說："通過液相和氣相滲透技術，我們將單元素和多元素涂層結合在一起，既保留了底層DNA晶格，又實現(xiàn)了三維無機納米結構的生產。"

Michelson補充說："另一種思考我們如何建造這些結構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，為了保護房屋免受風暴侵襲，有些房屋需要防颶風的窗戶，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出種類最豐富的功能性納米結構，研究小組決定將兩種滲透技術疊加使用。

Michelson說："這些技術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體是什么，都可以與各種與液相滲透兼容的金屬鹽結合，從而創(chuàng)造出更復雜的結構。例如，我們能夠在一個納米結構上結合鉑、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構非常有效，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構。這是首次展示如何制造高度結構化的三維納米材料。

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

"通常情況下，像這樣的研究，你需要花費大量的時間，日復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結構，因為我們想把它寫出來。

眼見為實

為了證明這種方法在他們開發(fā)的每種納米結構上都取得了成功，甚至達到了最精細的程度，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施。NSLS-II 是位于布魯克海文實驗室的能源部科學辦公室用戶設施，可產生超亮 X 射線，以原子尺度照亮樣品的物理、化學和電子構成。

Michelson說："我們不僅制造出了所有這些納米結構，而且還對它們逐一進行了全面表征，以嘗試進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，我們可以將其進一步加工成最終的、功能更強的有用狀態(tài)。"

為半導體器件等技術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構導電性和光活性。例如，他們首先使用絕緣材料，然后通過結合了兩種浸潤技術的DNA定向組裝新方法，添加氧化鋅等半導體金屬氧化物，這樣納米結構就能繼承其導電性和光致發(fā)光性。

最后，對于所有最終產品，他們都將樣品帶到布魯克海文實驗室的成像設備上查看其體積構成。

在CFN，研究小組利用電子顯微鏡設備，在氣相浸潤、液相浸潤和兩種技術疊加后，對所用的每一種前體結構都進行了高分辨率觀察。

他們結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，研究人員能夠繪制出納米結構的圖片，并在樣品的小范圍內高精度地繪制出它們的化學排列圖。

為了在更大范圍內獲得這些信息的三維視圖，研究小組使用了 NSLS-II 的復雜材料散射 (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 射線對準他們的樣品，觀察 X 射線如何散射，從而推斷出納米結構的三維原子排列。與此同時，HXN 提供了對結構及其化學 "地圖 "的直接三維成像。

研究人員使用了 HXN 的主要技術——X 射線納米層析成像技術，其功能類似于醫(yī)學 CT 掃描。光束線捕捉樣品的 180 個二維投影，每次旋轉一度。然后，計算機根據(jù)一系列投影構建三維圖像。但與 CT 掃描不同的是，HXN 結合了納米探針，以納米分辨率捕捉投影。

"這種類型的化學細節(jié)是其他技術或任何其他設備都無法捕捉到的，"HXN 光束線首席科學家、合著者Hanfei Yan說。"由于納米結構的復雜性，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現(xiàn)的。HXN 幫助我們確認，這些涂層不僅存在于材料表面，而且實際上與樣品的體積有關。

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

讓世界領先的研究成果為人們所用

在確認其新方法取得成功后，CFN 現(xiàn)在將致力于將該方法應用于更復雜的研究，并提供給來訪的科學家。作為用戶設施，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)助用戶實驗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構想打開了大門，否則這些合作和構想將永遠無法實現(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界，而不僅僅是布魯克海文實驗室。"

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

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

"CFN的另一個主要目標是使我們的工作和設施更易于使用，這意味著要為用戶制定一個高通量合成材料的標準協(xié)議。我們希望用戶能夠對我們說，'我想用這種厚度、結構和成分制造這種材料，以獲得這些特定的性能'。'液體處理機的實施將促進這一協(xié)議的達成。

CFN 還研究納米材料的機械性能，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)的材料在提高機械性能方面具有巨大潛力。

總之，CFN 創(chuàng)造可設計、堅固耐用、功能可調的三維納米結構的新方法為小規(guī)模先進制造的突破奠定了基礎。他們的研究工作可以促進各種新興技術的發(fā)展，并將為布魯克海文實驗室的科學計劃和用戶提供新的機會。

審核編輯 黃宇