金屬和半導(dǎo)體三維納米結(jié)構(gòu)是下一代半導(dǎo)體器件、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和先進(jìn)能源應(yīng)用的潛在基礎(chǔ)材料，其精準(zhǔn)控制對(duì)于實(shí)現(xiàn)各種新穎的機(jī)械、光學(xué)和電子性能至關(guān)重要。
近日，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室與哥倫比亞大學(xué)、紐約大學(xué)石溪分校合作建立了一種利用可編程DNA自組裝構(gòu)建功能性三維納米結(jié)構(gòu)的通用方法，將有助于開發(fā)創(chuàng)新性的半導(dǎo)體器件、光學(xué)材料、先進(jìn)能源材料等。相關(guān)論文最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。
科學(xué)家們使用新的通用方法來創(chuàng)建三維金屬和半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu) 圖片來源：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室
由于DNA和納米粒子的尺寸相當(dāng)，科學(xué)家開發(fā)出利用DNA對(duì)納米材料進(jìn)行化學(xué)編碼的方法。通過對(duì)DNA鏈進(jìn)行編碼，引導(dǎo)納米粒子按照設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)自組裝成納米晶體，從而產(chǎn)生有益的特性，如導(dǎo)電性、光敏性和磁性等。
布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在這一領(lǐng)域已有十多年研究基礎(chǔ)，已生產(chǎn)出可切換薄膜、三維納米超導(dǎo)體等功能材料。
不過該方法也存在局限性，例如，納米結(jié)構(gòu)不夠堅(jiān)固。在此前的研究中，布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明出引入二氧化硅的方法來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性，相當(dāng)于為納米材料打下堅(jiān)硬的骨骼。
后來，他們又開創(chuàng)了兩種在材料表面結(jié)合化學(xué)物質(zhì)的新技術(shù)——?dú)庀酀B透法和液相滲透法，以蒸汽形式將金屬等化學(xué)物質(zhì)結(jié)合到納米結(jié)構(gòu)上，并使其穿透材料表面，深入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，相當(dāng)于在堅(jiān)硬的骨骼上疊加了各種功能性涂層。
在此項(xiàng)研究中，研究人員將兩種滲透技術(shù)疊加在一起，成功獲得了由金屬、金屬氧化物、半導(dǎo)體材料以及復(fù)合材料制備的各種納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了通過一種方法生產(chǎn)種類廣泛的功能性納米結(jié)構(gòu)。
論文第一作者Aaron Michelson表示，技術(shù)疊加之后顯示出“比以往任何時(shí)候都更深入的控制”，可以產(chǎn)生更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如將鉑、鋁和鋅結(jié)合在一個(gè)納米結(jié)構(gòu)上。”
目前，通過這一方法，科研團(tuán)隊(duì)能夠生產(chǎn)出含有鋅、鋁、銅、鉬、鎢、銦、錫、鉑等不同金屬相互組合的各種三維納米結(jié)構(gòu)。
Michelson說：“這項(xiàng)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方案，以簡(jiǎn)單、可重復(fù)和穩(wěn)定的方式，成功生產(chǎn)出如此多材料成分不同的納米結(jié)構(gòu)。”
論文通訊作者、哥倫比亞大學(xué)教授Oleg Gang表示，“我們已經(jīng)證明了可以使用DNA定向組裝來組織各種類型的結(jié)構(gòu)。但是，要將這項(xiàng)研究提升到一個(gè)新的水平，不能僅僅依靠DNA。我們需要擴(kuò)展方法，為微電子和半導(dǎo)體器件等提供更堅(jiān)固、功能更全面的結(jié)構(gòu)。”
團(tuán)隊(duì)成員表示，布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室功能納米材料中心提供了很好的合作氛圍，不同實(shí)驗(yàn)室之間的合作和碰撞是能取得這項(xiàng)成果的原因之一。他們也將把這種簡(jiǎn)單、可重復(fù)和穩(wěn)健的方法提供給世界各地來訪的科學(xué)家使用。
