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三維納米結(jié)構(gòu)是指由零維、一維、二維中的一種或多種基本結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)合材料，三維納米結(jié)構(gòu)既可具有納米材料與結(jié)構(gòu)所賦予的量子效應(yīng)、尺寸效應(yīng)與表面效應(yīng)等新奇物性，又可通過三維幾何結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電聲子輸運與耦合、自旋極化、激子行為、波陣面調(diào)控等物性的協(xié)同調(diào)制，獲得平面器件不具有的功能。
金屬和半導(dǎo)體三維納米結(jié)構(gòu)是下一代半導(dǎo)體器件、神經(jīng)形態(tài)計算和先進能源應(yīng)用的潛在基礎(chǔ)材料，其精準(zhǔn)控制對于實現(xiàn)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(gòu)建功能性三維納米結(jié)構(gòu)的通用方法，他們通過對DNA鏈進行編碼，引導(dǎo)納米粒子按照設(shè)計好的結(jié)構(gòu)自組裝成納米晶體，從而產(chǎn)生有益的特性，如導(dǎo)電性、光敏性和磁性等。
然而，該方法也存在局限性，例如，納米結(jié)構(gòu)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(fā)明出引入二氧化硅的方法來增強結(jié)構(gòu)堅固性，相當(dāng)于為納米材料打下堅硬的骨骼。
隨后他們又開創(chuàng)了兩種在材料表面結(jié)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(jié)合到納米結(jié)構(gòu)上，并使其穿透材料表面，深入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，相當(dāng)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(dǎo)體材料以及復(fù)合材料制備的各種納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了通過一種方法生產(chǎn)種類廣泛的功能性納米結(jié)構(gòu)。據(jù)相關(guān)研究員表示，技術(shù)疊加之后顯示出“比以往任何時候都更深入的控制”，可以產(chǎn)生更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如將鉑、鋁和鋅結(jié)合在一個納米結(jié)構(gòu)上。”
科研團隊通過使用相同的工藝方案，以簡單、可重復(fù)和穩(wěn)定的方式，成功生產(chǎn)出如此多材料成分不同的納米結(jié)構(gòu)。目前，通過這一方法，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(jié)構(gòu)。
科研團隊證明了可以使用DNA定向組裝來組織各種類型的結(jié)構(gòu)，該項結(jié)果有助于開發(fā)創(chuàng)新性的半導(dǎo)體器件、光學(xué)材料、先進能源材料等。然而，要將這項研究提升到一個新的水平，不能僅僅依靠DNA。下一步，科研團隊將繼續(xù)擴展方法，為微電子和半導(dǎo)體器件等提供更堅固、功能更全面的結(jié)構(gòu)。
