破解DNA来制造下一代半导体材料-穿刺号

　　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，指导分子将自己组织成目标的3D模式，这是同类方法中首次从多种材料类别中生产出坚固的纳米结构。这项研究发表在《科学进展》杂志上。

　　“十多年来，我们一直在使用DNA对纳米级材料进行编程，”通讯作者奥列格·冈(Oleg Gang)说，他是哥伦比亚大学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)软与生物纳米材料小组的负责人。CFN是布鲁克海文实验室的能源部科学办公室用户设施。

　　“现在，在之前成就的基础上，我们已经开发出一种方法，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，这为3D纳米级制造提供了巨大的机会。”

　　CFN是研究分子自发组织的自组装的领导者。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“指导”自组装过程向分子排列方向发展，从而产生有益的特性，如导电性、光敏性和磁性。然后，这些结构可以扩大到功能材料。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。

　　“我们已经展示了使用dna定向组装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，我们不能只依靠DNA，”Gang说。“我们需要扩展我们的方法，为微电子和半导体设备等先进技术制造更坚固的结构，具有更具体的功能。”

　　最近，Gang和他的同事们，包括几个学生，已经能够在DNA晶格上生长二氧化硅，一种氧化形式的硅。二氧化硅的加入创造了一个更坚固的结构，但这个过程并不广泛适用于不同的材料。该团队还需要进一步研究，以开发一种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生产3D纳米结构的方法，CFN的软与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合作。

　　“CFN不同研究小组之间的关系对每个人都很有成效，”首席作者亚伦迈克尔森说，他是CFN的博士后研究员，在哥伦比亚大学研究生时期开始了这项研究。

　　“我们的生物和软物质实验室毗邻材料合成实验室，材料合成实验室毗邻电子显微镜实验室，因此这是一种非常协同的关系。CFN的文化使我们更容易迭代研究，最重要的是，我们周围有我们需要的所有领先设备。”

　　电子纳米材料组的科学家开创了一种叫做气相渗透的新型材料合成技术。该技术将一种蒸汽形式的前体化学物质与纳米级晶格结合，穿透表面，深入到材料结构中。

　　在Gang的团队之前构建的二氧化硅结构上使用这种技术，使用金属元素的前体，使研究人员能够产生3D金属结构。

　　“当我们意识到它可以应用于dna定向组装时，我们已经将这项技术用于其他应用，比如改进微电子材料或氢气气体分离膜，”共同通讯作者、CFN电子纳米材料组的科学家Nam Chang-Yong说。

　　Nam领导的研究项目是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。”

　　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，除了液体前体。在这种情况下，研究小组将不同的金属盐结合到二氧化硅上，形成了各种金属结构。

　　Gang说:“通过液体和气相渗透技术结合单元素和多元素涂层，我们保留了潜在的DNA晶格，同时实现了3D无机纳米结构的生产。”

　　迈克尔森补充说:“考虑我们如何建造这些结构的另一种方式是将其与建造房屋进行比较。首先，你建造骨头——房子里的木材或这些材料中的二氧化硅。然后，你开始添加功能组件，比如绝缘或金属元素。”

　　可用于房屋和纳米材料的功能组件种类繁多。例如，为了保护房屋免受风暴的侵袭，有些房子需要防飓风的窗户，有些房子需要加高地基。其他房屋需要像这些独特的功能部件的组合，纳米材料也是如此。因此，为了通过单一方法生产最广泛的功能纳米结构，该团队决定将两种渗透技术叠加在一起。

　　迈克尔逊说:“叠加这些技术显示出比以往任何时候都更深入的控制。”“任何可用的蒸汽作为气相渗透的前体，都可以与各种与液相渗透相容的金属盐相结合，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上。”

　　这种通用的方法在生产各种材料组成的三维纳米结构方面非常有效，其程度令研究人员感到惊讶。该团队能够制造出含有锌、铝、铜、钼、钨、铟、锡和铂的不同组合的3D纳米结构。这是第一次展示其创建高度结构化的3D纳米材料。

　　迈克尔逊说:“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协议，以一种直接、可重复和可靠的方式，成功地生产出如此多不同的纳米结构材料组成。”

　　“通常对于这样的研究，你需要花相当多的时间在一类材料上，试图让它日复一日地工作。而在这里，我们尝试的几乎所有东西都能很快地发挥作用，在某些时候，我们不得不停止制作结构，因为我们想要写它。”

　　为了证明这种方法在他们开发的每个纳米结构上的成功，研究人员利用了CFN和国家同步加速器光源II (NSLS-II)的专业知识和世界一流的成像设备。NSLS-II是位于布鲁克海文实验室的美国能源部科学办公室用户设施，它可以产生超亮x射线，以照亮原子尺度上样品的物理、化学和电子组成。

　　迈克尔逊说:“我们不仅创造了所有这些纳米结构，而且我们还充分描述了每一个纳米结构，试图进一步理解和处理它们。”“最初，这些材料可能存在于某种中间状态，我们可以进一步处理到最终的、更功能和有用的状态。”

　　制造半导体器件等技术所需的有用材料需要具备几个特性。在这项研究中，研究人员将电导率和光活性赋予了3D纳米结构。例如，他们从绝缘材料开始，然后通过他们新的dna定向组装方法，结合两种渗透技术，他们添加了半导体金属氧化物，如氧化锌，这样纳米结构就可以继承其导电性和光致发光。

　　最后，对于他们所有的最终产品，他们把样品带到布鲁克海文实验室的成像设备上，看看它们的体积构成。

　　在CFN，研究小组使用电子显微镜设备对每一种前驱体进行气相渗透、液相渗透和两种技术叠加后的结构进行高分辨率观察。

　　他们利用了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通过样品来生成纳米级分辨率的图像。

　　这些技术使研究人员能够绘制出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出它们的化学排列。

　　为了在更大的区域内获得这些信息的3D视图，研究小组在NSLS-II上使用了复杂材料散射(CMS)光束线和硬x射线纳米探针(HXN)光束线。

　　CMS是NSLS-II和CFN共同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，以推断纳米结构的三维原子排列。同时，HXN提供了结构和化学“图”的直接3D成像。

　　研究人员使用了HXN的主要技术，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，每次旋转一个度。然后，计算机从一系列投影中构造出三维图像。但与CT扫描不同的是，HXN结合了一个纳米探针，以纳米分辨率捕捉投影。

　　“这种类型的化学细节无法被其他技术或任何其他设施捕获，”合著者、HXN的首席光束线科学家严汉飞说。“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。”

　　迈克尔逊说:“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帮助我们确认了这些涂层不仅存在于材料表面，而且它们实际上是样品的体积。”

　　该小组先前使用这种技术以单粒子分辨率揭示了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率非常重要。

　　在证实了他们的新方法的成功之后，CFN现在将把这种方法应用到更复杂的研究中，并将其提供给访问科学家。作为一个用户设施，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获得的工具，而且还为新的合作和科学思想打开了大门，否则这些将永远无法实现。