新方法實現功能性三維納米結構精準控制

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金屬和半導體三維納米結構是下一代半導體器件、神經形態計算和先進能源應用的潛在基礎材料，其精準控制對于實現各種新穎的機械、光學和電子性能至關重要。

近日，美國布魯克海文國家實驗室與哥倫比亞大學、紐約大學石溪分校合作建立了一種利用可編程DNA自組裝構建功能性三維納米結構的通用方法，將有助于開發創新性的半導體器件、光學材料、先進能源材料等。相關論文最近發表在《科學進展》上。

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科學家們使用新的通用方法來創建三維金屬和半導體納米結構 圖片來源：布魯克海文國家實驗室

由于DNA和納米粒子的尺寸相當，科學家開發出利用DNA對納米材料進行化學編碼的方法。通過對DNA鏈進行編碼，引導納米粒子按照設計好的結構自組裝成納米晶體，從而產生有益的特性，如導電性、光敏性和磁性等。

布魯克海文國家實驗室的科學家在這一領域已有十多年研究基礎，已生產出可切換薄膜、三維納米超導體等功能材料。

不過該方法也存在局限性，例如，納米結構不夠堅固。在此前的研究中，布魯克海文國家實驗室的研究團隊發明出引入二氧化硅的方法來增強結構堅固性，相當于為納米材料打下堅硬的骨骼。

后來，他們又開創了兩種在材料表面結合化學物質的新技術——氣相滲透法和液相滲透法，以蒸汽形式將金屬等化學物質結合到納米結構上，并使其穿透材料表面，深入結構內部，相當于在堅硬的骨骼上疊加了各種功能性涂層。

在此項研究中，研究人員將兩種滲透技術疊加在一起，成功獲得了由金屬、金屬氧化物、半導體材料以及復合材料制備的各種納米結構，實現了通過一種方法生產種類廣泛的功能性納米結構。

論文第一作者Aaron Michelson表示，技術疊加之后顯示出“比以往任何時候都更深入的控制”，可以產生更復雜的結構，例如將鉑、鋁和鋅結合在一個納米結構上。”

目前，通過這一方法，科研團隊能夠生產出含有鋅、鋁、銅、鉬、鎢、銦、錫、鉑等不同金屬相互組合的各種三維納米結構。

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方案，以簡單、可重復和穩定的方式，成功生產出如此多材料成分不同的納米結構。”

論文通訊作者、哥倫比亞大學教授Oleg Gang表示，“我們已經證明了可以使用DNA定向組裝來組織各種類型的結構。但是，要將這項研究提升到一個新的水平，不能僅僅依靠DNA。我們需要擴展方法，為微電子和半導體器件等提供更堅固、功能更全面的結構。”

團隊成員表示，布魯克海文國家實驗室功能納米材料中心提供了很好的合作氛圍，不同實驗室之間的合作和碰撞是能取得這項成果的原因之一。他們也將把這種簡單、可重復和穩健的方法提供給世界各地來訪的科學家使用。