金屬和半導體三維納米結構是下一代半導體器件、神經(jīng)形態(tài)計算和先進(jìn)能源應用的潛在基礎材料，其精準控制對于實(shí)現各種新穎的機械、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自組裝構建功能性三維納米結構的通用方法，將有助于開(kāi)發(fā)創(chuàng )新性的半導體器件、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(lái)創(chuàng )建三維金屬和半導體納米結構 圖片來(lái)源：布魯克海文國家實(shí)驗室

由于DNA和納米粒子的尺寸相當，科學(xué)家開(kāi)發(fā)出利用DNA對納米材料進(jìn)行化學(xué)編碼的方法。通過(guò)對DNA鏈進(jìn)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(chǎn)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(shí)驗室的科學(xué)家在這一領(lǐng)域已有十多年研究基礎，已生產(chǎn)出可切換薄膜、三維納米超導體等功能材料。

不過(guò)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(shí)驗室的研究團隊發(fā)明出引入二氧化硅的方法來(lái)增強結構堅固性，相當于為納米材料打下堅硬的骨骼。

后來(lái)，他們又開(kāi)創(chuàng )了兩種在材料表面結合化學(xué)物質(zhì)的新技術(shù)——氣相滲透法和液相滲透法，以蒸汽形式將金屬等化學(xué)物質(zhì)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(shù)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(shí)現了通過(guò)一種方法生產(chǎn)種類(lèi)廣泛的功能性納米結構。

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)生更復雜的結構，例如將鉑、鋁和鋅結合在一個(gè)納米結構上。”

目前，通過(guò)這一方法，科研團隊能夠生產(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構。

Michelson說(shuō)：“這項實(shí)驗最令人驚訝的一點(diǎn)是，我們能夠使用相同的工藝方案，以簡(jiǎn)單、可重復和穩定的方式，成功生產(chǎn)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(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(lái)組織各種類(lèi)型的結構。但是，要將這項研究提升到一個(gè)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(shí)驗室功能納米材料中心提供了很好的合作氛圍，不同實(shí)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(jiǎn)單、可重復和穩健的方法提供給世界各地來(lái)訪(fǎng)的科學(xué)家使用。