Hacking af DNA for at lave næste generations halvledermaterialer

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, Columbia University og Stony Brook University har udviklet en universel metode til at producere en bred vifte af designet metalliske og halvleder 3D nanostrukturer - de potentielle basismaterialer til næste generation af halvlederenheder, neuromorfisk databehandling og avancerede energiapplikationer.

Den nye metode, som bruger en "hacket" form for DNA, der instruerer molekyler til at organisere sig i målrettede 3D-mønstre, er den første af sin art til at producere robuste nanostrukturer fra flere materialeklasser. Undersøgelsen blev offentliggjort i Science Advances .

"Vi har brugt DNA til at programmere materialer i nanoskala i mere end et årti," sagde den tilsvarende forfatter Oleg Gang, professor i kemiteknik og anvendt fysik og materialevidenskab ved Columbia Engineering og leder af Soft and Bio Nanomaterials Group ved centret for funktionelle nanomaterialer (CFN). CFN er en DOE Office of Science-brugerfacilitet på Brookhaven Lab.

"Nu, ved at bygge videre på tidligere resultater, har vi udviklet en metode til at konvertere disse DNA-baserede strukturer til mange typer funktionelle uorganiske 3D nano-arkitekturer, og dette åbner enorme muligheder for 3D nanoskala fremstilling."

Selvsamling er i dette teams DNA

CFN er førende inden for forskning i selvsamling, den proces, hvorved molekyler spontant organiserer sig. Især forskere ved CFN er eksperter i DNA-styret samling.

Forskere programmerer DNA-strenge til at "dirigere" selvsamlingsprocessen mod molekylære arrangementer, der giver anledning til gavnlige egenskaber, såsom elektrisk ledningsevne, lysfølsomhed og magnetisme. Derefter kan disse strukturer skaleres op til funktionelle materialer. Til dato har CFN brugt DNA-styret samling til at producere omskiftelige tynde film, 3D nano-superledere og mere.

"Vi har demonstreret forskellige typer af strukturer, vi kan organisere ved hjælp af DNA-styret samling. Men for at tage denne forskning til næste niveau, kan vi ikke kun stole på DNA," sagde Gang. "Vi var nødt til at udvide vores metode for at lave mere robuste strukturer med mere specifik funktionalitet til avancerede teknologier som mikroelektronik og halvlederenheder."

For nylig var Gang og kolleger, inklusive flere studerende, i stand til at dyrke silica, en oxideret form for silicium, på et DNA-gitter. Tilsætningen af ​​silica skabte en meget mere robust struktur, men proceduren var ikke bredt anvendelig til forskellige materialer. Holdet havde stadig brug for yderligere forskning for at udvikle en metode, der kunne producere metalliske og halvledermaterialer på en effektiv måde.

Stablingsteknikker (og ekspertise)

For at opbygge en mere universel metode til fremstilling af 3D nanostrukturer samarbejdede forskere i CFN's Soft and Bio Nanomaterials Group med centrets Electronic Nanomaterials Group.

"Forholdet mellem forskellige forskergrupper på CFN er meget frugtbart for alle," sagde hovedforfatter Aaron Michelson, en postdoc-forsker ved CFN, der begyndte denne forskning som en Columbia-kandidatstuderende.

"Vores bio- og blødstof-laboratorier er nabo til materialesyntese-laboratorier, som er nabo til elektronmikroskopi-laboratorier, så det er et meget synergistisk forhold. CFN-kulturen gør det lettere at iterere på forskning, og oven i købet er vi omgivet af alt det førende udstyr, vi har brug for."

Forskere i Electronic Nanomaterials Group var banebrydende for en ny materialesynteseteknik kaldet dampfase-infiltration. Denne teknik binder et prækursorkemikalie i dampform til et gitter i nanoskala, der trænger ud over overfladen og dybt ind i materialets struktur.

Ved at udføre denne teknik på de silicastrukturer, Gangs team tidligere havde bygget, ved at bruge forstadier med metalliske elementer, gjorde det muligt for forskerne at producere 3D-metalliske strukturer.

"Vi brugte allerede denne teknik til andre applikationer, som at forbedre mikroelektronikmaterialer eller gasseparationsmembraner for brint, da vi indså, at den kunne anvendes til DNA-styret samling," sagde den medkorresponderende forfatter Chang-Yong Nam, en videnskabsmand i Electronic Nanomaterials Group hos CFN.

Nam leder forskningsprogrammet om udvikling af dampfase-infiltrationssyntesemetoder til mikroelektronik og energiteknologiapplikationer. "Det var meget spændende."

Holdet eksperimenterede også med væskefase-infiltration, en anden teknik, der danner kemiske bindinger på et materiales overflade, undtagen med en flydende precursor. I dette tilfælde bandt holdet forskellige metalsalte til silica og dannede en række metalliske strukturer.

"Ved at inkorporere enkelt-element og multi-element belægninger gennem væske- og dampfase infiltrationsteknikker, bevarede vi det underliggende DNA-gitter, mens vi muliggjorde produktionen af ​​3D uorganiske nanostrukturer," sagde Gang.

Michelson tilføjede:"En anden måde at tænke på, hvordan vi har bygget disse strukturer, er at sammenligne det med at bygge et hus. Først konstruerer du knoglerne - tømmeret i huset eller silicaen i disse materialer. Så begynder du at tilføje på funktionelle komponenter, såsom isolering eller metalliske elementer."

Udvalget af tilgængelige funktionelle komponenter til både huse og nanomaterialer er stort. For at beskytte boliger mod storme har nogle huse fx brug for orkanbestandige vinduer, og nogle huse har brug for et hævet fundament. Andre huse har brug for en kombination af unikke, funktionelle komponenter som disse - og det samme gælder for nanomaterialer. Så for at muliggøre produktionen af ​​det bredeste udvalg af funktionelle nanostrukturer gennem en enkelt metode, besluttede holdet at stable begge infiltrationsteknikker.

"At stable disse teknikker viste meget mere dybde af kontrol, end der nogensinde er blevet opnået før," sagde Michelson. "Uanset hvilke dampe, der er tilgængelige som forstadier til dampfase-infiltration, kan kobles med forskellige metalsalte, der er kompatible med væskefase-infiltration, for at skabe mere komplekse strukturer. For eksempel var vi i stand til at kombinere platin, aluminium og zink oven på en nanostruktur ."

Denne universelle metode var ekstremt effektiv til at producere 3D-nanostrukturer af en bred vifte af materialesammensætninger - i en sådan grad, at den overraskede forskerne. Holdet var i stand til at producere 3D nanostrukturer indeholdende forskellige kombinationer af zink, aluminium, kobber, molybdæn, wolfram, indium, tin og platin. Dette er den første demonstration af sin art til at skabe meget strukturerede 3D-nanomaterialer.

"En af de mest overraskende ting ved dette eksperiment er, at vi var i stand til at producere så mange forskellige materialesammensætninger af nanostrukturer ved hjælp af en identisk procesprotokol på en måde, der er ligetil, gentagelig og robust," sagde Michelson.

"Typisk til forskning som denne skal du bruge en betydelig mængde tid med kun én klasse af materialer på at prøve at få det til at fungere, dag ud og dag ind. Hvorimod næsten alt, hvad vi prøvede her, fungerede hurtigt, og på et tidspunkt, vi var bare nødt til at stoppe med at producere strukturer, fordi vi ville skrive om det."

At se er at tro

For at bevise succesen med denne metode for hver nanostruktur, de udviklede, ned til det fineste detaljeringsniveau, udnyttede forskerne ekspertise og billedbehandlingsfaciliteter i verdensklasse hos CFN og National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). NSLS-II er en DOE Office of Science-brugerfacilitet på Brookhaven Lab, der producerer ultraklare røntgenstråler for at belyse den fysiske, kemiske og elektroniske sammensætning af prøver på atomær skala.

"Ikke kun skabte vi alle disse nanostrukturer, men vi karakteriserede hver enkelt af dem fuldt ud for at prøve at forstå og behandle dem yderligere," sagde Michelson. "I starten kunne disse materialer eksistere i en mellemliggende tilstand, som vi kunne viderebearbejde til en endelig, mere funktionel og nyttig tilstand."

Der er flere egenskaber, der er nødvendige for at fremstille nyttige materialer til teknologier som halvlederenheder. Til denne undersøgelse bidrog forskerne elektrisk ledningsevne og fotoaktivitet til 3D-nanostrukturerne. For eksempel startede de med et isolerende materiale og derefter, gennem deres nye DNA-styrede samlingsmetode, der inkorporerer to infiltrationsteknikker, tilføjede de halvledende metaloxider, såsom zinkoxid, så nanostrukturen kunne arve sin elektriske ledningsevne og fotoluminescens.

Til sidst, for alle deres slutprodukter, bragte de prøverne til billedbehandlingsfaciliteter på tværs af Brookhaven Lab for at se deres volumetriske makeup.

Hos CFN brugte holdet elektronmikroskopi-faciliteten til at producere højopløsningsbilleder af deres strukturer efter dampfase-infiltration, væskefase-infiltration og stabling af begge teknikker – for hver anvendt precursor.

De udnyttede en kombination af transmissionselektronmikroskoper og scanningselektronmikroskoper, som genererer billeder med opløsning i nanoskala ved at analysere, hvordan elektroner henholdsvis hopper af eller passerer gennem prøverne.

Disse teknikker gjorde det muligt for forskerne at producere maleriske billeder af deres nanostrukturer og kortlægge deres kemiske arrangementer med høj præcision og i små områder af deres prøver.

For at få 3D-visninger af denne information på tværs af større områder brugte holdet Complex Materials Scattering (CMS) beamline og Hard X-ray Nanoprobe (HXN) beamline ved NSLS-II.

CMS er en partner beamline, der drives i fællesskab af NSLS-II og CFN. Der rettede forskerne NSLS-II's ultralyse røntgenstråler mod deres prøver og observerede, hvordan røntgenstrålerne spredte sig for at udlede nanostrukturernes 3D-atomarrangementer. I mellemtiden leverede HXN direkte 3D-billeddannelse af både strukturerne og deres kemiske "kort".

Forskerne brugte HXNs førende teknik, røntgen-nanotomografi, som fungerer på samme måde som en medicinsk CT-scanning. Strålelinjen fanger 180 2D-projektioner af prøven og roterer den en grad ad gangen. Derefter konstruerer computere et 3D-billede ud fra rækken af ​​projektioner. Men i modsætning til CT-scanninger inkorporerer HXN en nanoprobe til at fange projektionerne med nanometeropløsning.

"Denne type kemiske detaljer kan ikke fanges med andre teknikker eller nogen anden facilitet," sagde medforfatter Hanfei Yan, ledende strålelinjeforsker ved HXN. "Og denne information var meget vigtig for denne undersøgelse på grund af nanostrukturernes kompleksitet. Afdækning af grundstoffordelingen hjalp os med at afgøre, om den nye metode var effektiv, og om belægningerne trængte helt ind i gitteret."

Michelson sagde:"HXN gav os rumlig og elementær opløsning, som vi ikke kunne opnå andre steder. HXN hjalp os med at bekræfte, at ikke kun disse belægninger var til stede på materialets overflader, men de var faktisk volumetriske i forhold til prøven."

Gruppen brugte tidligere denne teknik til at afsløre 3D-strukturen af ​​DNA-gitre med enkeltpartikelopløsning. Nu satte denne teknik dem i stand til at afsløre arrangementerne af metalliske og halvledernanofunktioner dybt inde i prøven, hvilket var vigtigt for at verificere pålideligheden og kraften af ​​deres fremstillingsmetode.

Gør verdensførende forskning tilgængelig

Efter at have bekræftet succesen med deres nye metode, vil CFN nu arbejde på at anvende metoden til mere kompleks forskning og tilbyde den til besøgende videnskabsmænd. Som en brugerfacilitet stiller CFN sine muligheder og ekspertise til rådighed for "brugere" over hele landet og verden. At assistere brugereksperimenter giver ikke kun eksterne forskere værktøjer, de normalt ikke ville have adgang til, men det åbner døren til nye samarbejder og videnskabelige idéer, som ellers aldrig ville blive realiseret.

"Vi udvikler disse materialer og metoder, og det er interessant for vores egne programmer på CFN, men vi vil også gerne se brugerne bruge disse metoder til deres egen forskning," sagde Gang. "Vi sigter altid efter at skalere vores metoder op og forbinde nye forskere med vores udvikling. Vi ønsker, at vores arbejde skal gavne det bredere videnskabelige samfund, ikke kun Brookhaven Lab."

Økosystemet af CFNs ekspertise og faciliteter, som gavnede denne forskning, er også en fordel for brugerne, og CFN udvider konstant sine tilbud og gør dem mere tilgængelige. For eksempel søger forskere at implementere den nye forskningsmetode i et af centrets nyeste værktøjer, en væskehåndteringsrobot.

"At udvikle disse metoder og udgive papirer er kun en del af CFN's overordnede mission," sagde medforfatter Jason Kahn, en stabsforsker i CFN's Soft and Bio Nanomaterials Group.

"Et andet stort mål for CFN er at gøre vores arbejde og faciliteter mere tilgængelige, og det betyder, at vi udvikler en standardprotokol for brugere til at syntetisere materialer på en måde med høj gennemstrømning. Vi ønsker, at brugerne skal kunne komme til os og sige:"Jeg vil gerne at lave dette materiale med denne tykkelse, struktur og sammensætning for at få disse specifikke egenskaber.' Implementering af væskehåndteringen vil lette denne protokol."

CFN studerer også de mekaniske egenskaber af nanomaterialer, og materialerne som dem, der er udviklet i dette arbejde, rummer et stort potentiale for at forbedre den mekaniske ydeevne, som det for nylig blev vist af gruppen i en anden undersøgelse.

Samlet set har CFNs nye metode til at skabe designede, robuste og funktionelt indstillelige 3D nanostrukturer sat scenen for gennembrud inden for avanceret fremstilling i små skalaer. Deres arbejde kunne muliggøre forskellige nye teknologier, og det vil give nye muligheder for videnskabelige initiativer og brugere på Brookhaven Lab.

Flere oplysninger: Aaron Michelson et al., Tredimensionelle nanoskala metal-, metaloxid- og halvlederrammer gennem DNA-programmerbar samling og skabelon, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl0604

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Brookhaven National Laboratory