新方法精准控制功能性三维纳米结构
科学家使用新的通用方法创建了三维金属和半导体纳米结构。 图片来源：布鲁克海文国家实验室
本报讯 金属与半导体三维纳米结构是实现下一代半导体器件、神经形态计算和先进能源应用的潜在基础材料，其精准控制对于实现各种新颖的机械、光学和电子性能至关重要。
近日，美国布鲁克海文国家实验室研究团队与美国哥伦比亚大学、纽约大学石溪分校的研究人员合作，创建了一种利用可编程DNA自组装构建功能性三维纳米结构的通用方法。该方法将有助于开发创新性的半导体器件、光学材料、先进能源材料等。相关论文最近发表于《科学进展》。
由于DNA和纳米粒子的尺寸相当，科学家已经开发出利用DNA对纳米材料进行化学编码的方法。通过对DNA链进行编码，引导纳米粒子按照设计好的结构自组装成纳米晶体，即可产生有益的特性，如导电性、光敏性和磁性等。
布鲁克海文国家实验室的科学家在这一领域已有十多年的研究基础，生产出可切换薄膜、三维纳米超导体等功能材料。
不过该方法也存在局限性，例如，纳米结构不够坚固。在此前的研究中，研究团队发明出引入二氧化硅的方法增强结构的坚固性，相当于为纳米材料打造坚硬的骨骼。
后来，他们又开创了两种在材料表面结合化学物质的新技术——气相渗透法和液相渗透法，以蒸气形式将金属等化学物质结合到纳米结构上，并使其穿透材料表面，深入结构内部，这相当于在坚硬的骨骼上叠加了各种功能性涂层。
在这项研究中，研究人员将两种渗透技术叠加在一起，成功获得了由金属、金属氧化物、半导体材料及复合材料制备的各种纳米结构，即利用一种方法生产种类广泛的功能性纳米结构。
论文第一作者、布鲁克海文国家实验室的Aaron Michelson表示，技术叠加之后显示出“比以往任何时候更强大的控制力”，可以产生更复杂的结构，例如将铂、铝和锌结合在一个纳米结构上。
目前，利用这一方法，科研团队已生产出含有锌、铝、铜、钼、钨、铟、锡、铂等不同金属组合的各种三维纳米结构。
Michelson说：“这项实验最令人惊讶的一点是，我们能采用相同的工艺方案，以简单、可重复和稳定的方式，成功生产出如此多的材料成分不同的纳米结构。”
论文通讯作者、哥伦比亚大学教授Oleg Gang表示：“我们已经证明了可以使用DNA定向组装来组织各种类型的结构。但是，要想将这项研究提高到一个新的水平，不能仅仅依靠DNA。我们需要拓展该方法，为微电子和半导体器件等提供更坚固、功能更全面的结构。”
团队成员表示，布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心拥有很好的合作氛围，不同实验室之间的合作和碰撞是取得这项成果的原因之一。他们将把这种简单、可重复和稳健的方法提供给世界各地的科学家使用。
（陈欢欢）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adl0604