美国能源部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开发了一种通用方法，用于生产各种设计的金属和半导体 3D 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“被黑客入侵”的DNA形式，指示分子将自己组织成目标3D图案，这是同类方法中第一个从多种材料类别中产生强大纳米结构的方法。该研究最近发布在《科学进展》上。
"十多年来，我们一直在使用DNA对纳米级材料进行编程，“通讯作者Oleg Gang说，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软与生物纳米材料组的负责人。“现在，通过以往的成就为基础，我们开发了一种将这些基于DNA的结构转化为多种类型的功能性无机3D纳米结构的方法，这为3D纳米级制造提供了巨大的机会。
CFN是研究自组装的领导者，自组装是分子自发组织的过程。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”自组装过程走向分子排列，从而产生有益的特性，如导电性、光敏性和磁性。然后，这些结构可以放大到功能材料。迄今为止，CFN已经使用DNA定向组装来生产可切换薄膜、3D纳米超导体等。
"我们已经展示了可以使用DNA定向组装来组织的各种类型的结构。但是，为了将这项研究提升到一个新的水平，我们不能只依靠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更坚固的结构和更具体的功能。
最近，Gang及其同事，包括几名学生，能够将二氧化硅生长到DNA晶格上。二氧化硅的添加创造了一个更坚固的结构，但该程序并未广泛适用于不同的材料。该团队仍需要进一步研究，以开发一种能够有效生产金属和半导体材料的方法。
为了建立一种更通用的3D纳米结构生产方法，CFN软和生物纳米材料组的研究人员与该中心的电子纳米材料组合作。
"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，“主要作者Aaron Michelson说，他是CFN的博士后研究员，他作为哥伦比亚大学的研究生开始了这项研究。“我们的生物和软物质实验室与材料合成实验室隔壁，材料合成实验室与电子显微镜实验室隔壁，因此这是一种非常协同的关系。CFN的文化使研究迭代变得更加容易，最重要的是，我们被我们需要的所有领先设备所包围。
电子纳米材料组的科学家开创了一种称为气相渗透的新型材料合成技术。该技术将前体化学物质以蒸汽形式与纳米级晶格结合，渗透到表面之外并深入材料结构。在Gang团队之前建造的二氧化硅结构上进行这种技术，使用带有金属元素的前体，使研究人员能够产生3D金属结构。
"我们已经将这种技术用于其他应用，例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定向组装时，“共同通讯作者，CFN电子纳米材料组的科学家Chang-Yong Nam说。Nam 领导了开发用于微电子和能源技术应用的气相渗透合成方法的研究计划。“这非常令人兴奋。"
该团队还试验了液相渗透，这是另一种在材料表面形成化学键的技术，但液体前体除外。在这种情况下，该团队将不同的金属盐与二氧化硅结合，形成多种金属结构。
"通过液相和气相渗透技术结合单元素和多元素涂层，我们保留了底层的DNA晶格，同时能够生产3D无机纳米结构。“刚刚说。
迈克尔逊补充道：“思考我们如何建造这些结构的另一种方法是将其与建造房屋进行比较。首先，你构建骨骼-;房屋中的木材或这些材料中的二氧化硅。然后，你开始添加功能组件，如绝缘或金属元素。
可用于房屋和纳米材料的功能组件种类繁多。例如，为了保护房屋免受暴风雨的侵袭，有些房屋需要抗飓风窗户，有些房屋需要凸起地基。其他房屋需要像这些独特的功能组件的组合;纳米材料也是如此。因此，为了通过单一方法生产最广泛的功能纳米结构，该团队决定将这两种渗透技术叠加在一起。
"堆叠这些技术显示出比以往任何时候都更大的控制深度，“迈克尔逊说。“任何可用于气相渗透的前体的蒸汽都可以与与液相渗透兼容的各种金属盐偶联，以创建更复杂的结构。例如，我们能够将铂、铝和锌结合在一个纳米结构之上。"
这种通用方法对于生产各种材料成分的 3D 纳米结构非常有效;以至于它让研究人员感到惊讶。该团队能够生产出包含锌、铝、铜、钼、钨、铟、锡和铂的不同组合的 3D 纳米结构。这是首次用于创建高度结构化的3D纳米材料的演示。
"这个实验最令人惊讶的事情之一是，我们能够使用相同的工艺方案以直接、可重复和稳健的方式成功地生产出如此多不同的纳米结构材料成分，“迈克尔逊说。“通常，对于这样的研究，你需要花费大量时间在一类材料上，试图让它日复一日地发挥作用。而在这里，我们尝试的几乎所有东西都很快奏效，在某些时候，我们不得不停止制作结构，因为我们想写它。
为了证明这种方法在他们开发的每个纳米结构上的成功，直到最精细的细节水平，研究人员利用了CFN和国家同步辐射光源II的专业知识和世界一流的成像设施。NSLS-II是美国能源部科学办公室在布鲁克海文实验室的用户设施，可产生超亮X射线，以在原子尺度上照亮样品的物理、化学和电子组成。
"我们不仅创造了所有这些纳米结构，而且我们充分表征了它们中的每一个，以试图进一步理解和处理它们，“迈克尔逊说。“最初，这些材料可能以某种中间状态存在，我们可以进一步将其加工成最终的、功能更强大和有用的状态。
为半导体器件等技术制造有用的材料需要多种特性。在这项研究中，研究人员赋予了3D纳米结构的导电性和光活性。例如，他们从绝缘材料开始，然后，通过结合两种渗透技术的新型DNA定向组装方法，他们添加了半导体金属氧化物，如氧化锌，因此纳米结构可以继承其导电性和光致发光性。最后，对于他们所有的最终产品，他们将样品带到布鲁克海文实验室的成像设施，以查看它们的体积构成。
在CFN，该团队使用电子显微镜设施在气相渗透、液相渗透和堆叠两种技术后生成其结构的高分辨率视图。对于使用的每种前体。他们利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜的组合，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。这些技术使研究人员能够制作出其纳米结构的风景如画的视图，并在样品的小区域内高精度地绘制其化学排列图。
为了在更大区域获得这些信息的3D视图，该团队在NSLS-II中使用了复杂材料散射光束线和硬X射线纳米探针光束线。CMS是由NSLS-II和CFN联合运营的合作伙伴光束线。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射线如何散射以推断纳米结构的3D原子排列。同时，HXN提供了结构及其化学“图谱”的直接3D成像。
研究人员使用了HXN的首要技术X射线纳米断层扫描，其功能类似于医学CT扫描。光束线捕获样品的 180 个 2D 投影，一次旋转一度。然后，计算机从一系列投影中构建 3D 图像。但与 CT 扫描不同的是，HXN 采用了纳米探针来捕获具有纳米分辨率的投影。
"这种类型的化学细节无法通过其他技术或任何其他设施捕获，“共同作者，HXN首席光束线科学家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晶格。
Michelson说：“HXN为我们提供了其他任何地方都无法实现的空间和元素分辨率。HXN帮助我们确认，这些涂层不仅存在于材料表面，而且实际上对样品是体积的。该小组之前使用这种技术以单粒子分辨率揭示了DNA晶格的3D结构。现在，这项技术使他们能够揭示样品深处金属和半导体纳米特征的排列，这对于验证其制造方法的保真度和功效非常重要。
在确认他们的新方法取得成功后，CFN现在将努力将该方法应用于更复杂的研究，并将其提供给访问科学家。作为用户设施，CFN将其能力和专业知识提供给全国和世界各地的“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使用的工具，而且还为新的合作和科学构思打开了大门，否则这些合作和科学构思将永远无法实现。
“我们开发了这些材料和方法，这对我们在CFN的项目来说很有趣，但我们也希望看到用户利用这些方法进行自己的研究，”Gang说。“我们一直致力于扩大我们的方法，并将新的研究人员与我们的发展联系起来。我们希望我们的工作能够造福更广泛的科学界，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，这对用户来说也是一个好处，CFN正在不断扩展其产品，使其更容易获得。例如，科学家们正在寻求将新的研究方法实施到该中心的最新工具之一，即液体处理机器人中。
"开发这些方法和发表论文只是CFN总体使命的一部分，“共同作者Jason Kahn说，他是CFN软和生物纳米材料小组的科学家。“CFN的另一个主要目标是使我们的工作和设施更易于访问，这意味着为用户开发一个标准协议，以高通量方式合成材料。我们希望用户能够来找我们说，'我想用这种厚度、结构和成分来制造这种材料，以获得这些特定的特性。实施液体处理器将促进该协议。
CFN还研究了纳米材料的机械性能，正如该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的潜力。
总体而言，CFN用于创建设计、稳健且功能可调的3D纳米结构的新方法为小规模先进制造的突破奠定了基础。他们的工作可以实现各种新兴技术，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。
