Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, Columbia University och Stony Brook University har utvecklat en universell metod för att producera en mängd olika designade metalliska och halvledar 3D-nanostrukturer – de potentiella basmaterialen för nästa generations halvledarenheter, neuromorfiska datorer och avancerade energitillämpningar.
Den nya metoden, som använder en "hackad" form av DNA som instruerar molekyler att organisera sig i riktade 3D-mönster, är den första i sitt slag att producera robusta nanostrukturer från flera materialklasser. Studien publicerades i Science Advances .
"Vi har använt DNA för att programmera material i nanoskala i mer än ett decennium", säger motsvarande författare Oleg Gang, professor i kemiteknik och tillämpad fysik och materialvetenskap vid Columbia Engineering och ledare för Soft and Bio Nanomaterials Group vid centret för funktionella nanomaterial (CFN). CFN är en DOE Office of Science-användaranläggning vid Brookhaven Lab.
"Nu, genom att bygga på tidigare prestationer, har vi utvecklat en metod för att omvandla dessa DNA-baserade strukturer till många typer av funktionella oorganiska 3D nano-arkitekturer, och detta öppnar enorma möjligheter för 3D nanoskala tillverkning."
CFN är ledande inom forskning om självmontering, den process genom vilken molekyler spontant organiserar sig. Särskilt forskare vid CFN är experter på DNA-styrd montering.
Forskare programmerar DNA-strängar för att "rikta" självmonteringsprocessen mot molekylära arrangemang som ger upphov till fördelaktiga egenskaper, såsom elektrisk ledningsförmåga, ljuskänslighet och magnetism. Sedan kan dessa strukturer skalas upp till funktionella material. Hittills har CFN använt DNA-riktad montering för att producera omkopplingsbara tunna filmer, 3D nanosupraledare och mer.
"Vi har visat olika typer av strukturer som vi kan organisera med hjälp av DNA-riktad montering. Men för att ta denna forskning till nästa nivå kan vi inte bara lita på DNA," sade Gang. "Vi behövde utöka vår metod för att göra mer robusta strukturer med mer specifik funktionalitet för avancerad teknik som mikroelektronik och halvledarenheter."
Nyligen kunde Gang och kollegor, inklusive flera studenter, odla kiseldioxid, en oxiderad form av kisel, på ett DNA-gitter. Tillsatsen av kiseldioxid skapade en mycket mer robust struktur, men proceduren var inte allmänt användbar för olika material. Teamet behövde fortfarande ytterligare forskning för att utveckla en metod som kunde producera metalliska och halvledarmaterial på ett effektivt sätt.
För att bygga ut en mer universell metod för att producera 3D-nanostrukturer, samarbetade forskare i CFN:s Soft and Bio Nanomaterials Group med centrets Electronic Nanomaterials Group.
"Förhållandet mellan olika forskargrupper vid CFN är mycket fruktbart för alla", säger huvudförfattaren Aaron Michelson, en postdoktor vid CFN som påbörjade denna forskning som en doktorand i Columbia.
"Våra bio- och mjukmateriallabb ligger granne med materialsynteslaboratorier, som ligger granne med elektronmikroskopilabb, så det är ett mycket synergistiskt förhållande. Kulturen av CFN gör det lättare att iterera på forskning, och utöver det är vi omgiven av all ledande utrustning vi behöver."
Forskare i Electronic Nanomaterials Group var pionjärer med en ny materialsyntesteknik som kallas ångfasinfiltration. Denna teknik binder en prekursorkemikalie, i ångform, till ett gitter i nanoskala, som penetrerar bortom ytan och djupt in i materialets struktur.
Genom att utföra denna teknik på de kiseldioxidstrukturer som Gangs team tidigare hade byggt, med hjälp av prekursorer med metalliska element, gjorde det möjligt för forskarna att producera 3D-metalliska strukturer.
"Vi använde redan den här tekniken för andra applikationer, som att förbättra mikroelektronikmaterial eller gasseparationsmembran för väte, när vi insåg att den kunde tillämpas på DNA-riktad sammansättning", säger medkorrespondent författare Chang-Yong Nam, en forskare i Electronic Nanomaterials Group på CFN.
Nam leder forskningsprogrammet för att utveckla syntesmetoder för ångfasinfiltration för mikroelektronik och energiteknologiapplikationer. "Det var väldigt spännande."
Teamet experimenterade också med vätskefasinfiltration, en annan teknik som bildar kemiska bindningar på ett materials yta, förutom med en flytande prekursor. I det här fallet band olika metallsalter till kiseldioxid och bildade en mängd olika metallstrukturer.
"Genom att införliva beläggningar med ett element och flera element genom vätske- och ångfasinfiltrationstekniker bevarade vi det underliggande DNA-gittret samtidigt som vi möjliggjorde produktionen av oorganiska 3D-nanostrukturer," sa Gang.
Michelson tillade, "Ett annat sätt att tänka på hur vi har byggt dessa strukturer är att jämföra det med att bygga ett hus. Först konstruerar du benen - virket i huset eller kiseldioxiden i dessa material. Sedan börjar du lägga till på funktionella komponenter, som isolering eller metalliska element."
Mångfalden av funktionella komponenter som finns tillgängliga, för både hus och nanomaterial, är enorm. Till exempel, för att skydda hem mot stormar, behöver vissa hus orkanbeständiga fönster, och vissa hus behöver en förhöjd grund. Andra hus behöver en kombination av unika, funktionella komponenter som dessa - och detsamma gäller för nanomaterial. Så, för att möjliggöra produktionen av det bredaste utbudet av funktionella nanostrukturer genom en enda metod, beslutade teamet att stapla båda infiltrationsteknikerna.
"Stackning av dessa tekniker visade mycket mer djup av kontroll än vad som någonsin har uppnåtts tidigare," sa Michelson. "Oavsett vilka ångor som finns tillgängliga som prekursorer för ångfasinfiltration kan kopplas till olika metallsalter som är kompatibla med vätskefasinfiltration för att skapa mer komplexa strukturer. Till exempel kunde vi kombinera platina, aluminium och zink ovanpå en nanostruktur ."
Denna universella metod var extremt effektiv för att producera 3D-nanostrukturer av en mängd olika materialsammansättningar - i en sådan utsträckning att den förvånade forskarna. Teamet kunde producera 3D-nanostrukturer som innehåller olika kombinationer av zink, aluminium, koppar, molybden, volfram, indium, tenn och platina. Detta är den första demonstrationen i sitt slag för att skapa högstrukturerade 3D-nanomaterial.
"En av de mest överraskande sakerna med det här experimentet är att vi framgångsrikt kunde producera så många olika materialsammansättningar av nanostrukturer med ett identiskt processprotokoll på ett sätt som är enkelt, repeterbart och robust," sa Michelson.
"Vanligtvis för forskning som denna måste du spendera en ansenlig tid med bara en klass av material för att försöka få det att fungera, dag ut och dag in. Här fungerade nästan allt vi försökte snabbt, och någon gång, vi var bara tvungna att sluta producera strukturer eftersom vi ville skriva om det."
För att bevisa framgången med denna metod för varje nanostruktur de utvecklade, ner till den finaste detaljnivån, utnyttjade forskarna expertis och bildbehandlingsanläggningar i världsklass vid CFN och National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). NSLS-II är en DOE Office of Science-användaranläggning vid Brookhaven Lab som producerar ultraljusa röntgenstrålar för att belysa den fysiska, kemiska och elektroniska sammansättningen av prover i atomär skala.
"Vi skapade inte bara alla dessa nanostrukturer, utan vi karakteriserade var och en av dem för att försöka förstå och bearbeta dem ytterligare," sa Michelson. "Inledningsvis kan dessa material existera i något mellanliggande tillstånd, som vi skulle kunna bearbeta vidare till ett slutligt, mer funktionellt och användbart tillstånd."
Det finns flera egenskaper som behövs för att göra användbara material för teknologier som halvledarenheter. För denna studie gav forskarna elektrisk ledningsförmåga och fotoaktivitet på 3D-nanostrukturerna. Till exempel började de med ett isolerande material och sedan, genom sin nya DNA-riktade monteringsmetod som innehåller två infiltrationstekniker, tillsatte de halvledande metalloxider, som zinkoxid, så att nanostrukturen kunde ärva sin elektriska ledningsförmåga och fotoluminescens.
Slutligen, för alla sina slutprodukter, tog de proverna till bildbehandlingsanläggningar över hela Brookhaven Lab för att se deras volymetriska makeup.
På CFN använde teamet elektronmikroskopi för att producera högupplösta bilder av deras strukturer efter ångfasinfiltration, vätskefasinfiltration och stapling av båda teknikerna - för varje prekursor som används.
De utnyttjade en kombination av transmissionselektronmikroskop och svepelektronmikroskop, som genererar bilder med upplösning i nanoskala genom att analysera hur elektroner studsar av respektive passerar genom proverna.
Dessa tekniker gjorde det möjligt för forskarna att producera pittoreska vyer av deras nanostrukturer och kartlägga deras kemiska arrangemang med hög precision och i små områden av deras prover.
För att få 3D-vyer av denna information över större områden använde teamet Complex Materials Scattering (CMS) strållinjen och Hard X-ray Nanoprobe (HXN) strållinjen vid NSLS-II.
CMS är en partner beamline som drivs gemensamt av NSLS-II och CFN. Där riktade forskarna NSLS-II:s ultraljusa röntgenstrålar mot sina prover och observerade hur röntgenstrålarna spreds för att sluta sig till nanostrukturernas 3D-atomarrangemang. Samtidigt tillhandahöll HXN direkt 3D-avbildning av både strukturerna och deras kemiska "kartor".
Forskarna använde HXN:s främsta teknik, röntgen-nanotomografi, som fungerar på samma sätt som en medicinsk datortomografi. Strållinjen fångar 180 2D-projektioner av provet och roterar det en grad i taget. Sedan konstruerar datorer en 3D-bild från serien av projektioner. Men till skillnad från CT-skanningar har HXN en nanosond för att fånga projektionerna med nanometerupplösning.
"Den här typen av kemiska detaljer kan inte fångas med andra tekniker eller någon annan anläggning", säger medförfattaren Hanfei Yan, ledande strållinjeforskare vid HXN. "Och denna information var mycket viktig för den här studien på grund av nanostrukturernas komplexitet. Att avslöja elementfördelningen hjälpte oss att avgöra om den nya metoden var effektiv och om beläggningarna helt penetrerade gallret."
Michelson sa:"HXN gav oss rumslig och elementär upplösning som vi inte kunde uppnå någon annanstans. HXN hjälpte oss att bekräfta att inte bara dessa beläggningar fanns på materialytorna, utan att de faktiskt var volymetriska för provet."
Gruppen använde tidigare denna teknik för att avslöja 3D-strukturen av DNA-gitter med en partikelupplösning. Nu gjorde den här tekniken det möjligt för dem att avslöja arrangemangen av metalliska och halvledarnanoegenskaper djupt inne i provet, vilket var viktigt för att verifiera troheten och kraften i deras tillverkningsmetod.
Efter att ha bekräftat framgången med deras nya metod kommer CFN nu att arbeta med att tillämpa metoden på mer komplex forskning och erbjuda den till besökande forskare. Som en användaranläggning gör CFN sin kapacitet och expertis tillgänglig för "användare" över hela landet och världen. Att assistera användarexperiment ger inte bara utomstående forskare verktyg som de normalt inte skulle ha tillgång till, utan det öppnar dörren till nya samarbeten och vetenskapliga idéer som annars aldrig skulle förverkligas.
"Vi utvecklar dessa material och metoder, och det är intressant för våra egna program på CFN, men vi skulle också vilja se användare använda dessa metoder för sin egen forskning," sa Gang. "Vi strävar alltid efter att skala upp våra metoder och koppla nya forskare till vår utveckling. Vi vill att vårt arbete ska gynna det bredare forskarsamhället, inte bara Brookhaven Lab."
Ekosystemet av CFN:s expertis och faciliteter som gynnade denna forskning är också en fördel för användarna, och CFN utökar ständigt sina erbjudanden och gör dem mer tillgängliga. Forskare funderar till exempel på att implementera den nya forskningsmetoden i ett av centrets senaste verktyg, en vätskehanteringsrobot.
"Att utveckla dessa metoder och publicera uppsatser är bara en del av CFN:s övergripande uppdrag", säger medförfattaren Jason Kahn, en stabsforskare i CFN:s Soft and Bio Nanomaterials Group.
"Ett annat stort mål för CFN är att göra vårt arbete och våra anläggningar mer tillgängliga, och det innebär att vi utvecklar ett standardprotokoll för användare att syntetisera material på ett sätt med hög genomströmning. Vi vill att användarna ska kunna komma till oss och säga:"Jag vill att göra detta material med denna tjocklek, struktur och sammansättning för att få dessa specifika egenskaper.' Att implementera vätskehanteraren kommer att underlätta det protokollet."
CFN studerar också de mekaniska egenskaperna hos nanomaterial, och material som de som utvecklats i detta arbete har stor potential för att förbättra mekanisk prestanda, vilket gruppen nyligen visade i en annan studie.
Sammantaget har CFN:s nya metod för att skapa designade, robusta och funktionellt inställbara 3D-nanostrukturer banat vägen för genombrott inom avancerad tillverkning i liten skala. Deras arbete kan möjliggöra olika framväxande teknologier, och det kommer att ge nya möjligheter för vetenskapsinitiativ och användare på Brookhaven Lab.
Mer information: Aaron Michelson et al, Tredimensionella nanoskala metall-, metalloxid- och halvledarramverk genom DNA-programmerbar montering och mall, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl0604
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
