Des scientifiques du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l'énergie (DOE), de l'Université de Columbia et de l'Université de Stony Brook ont développé une méthode universelle pour produire une grande variété de nanostructures 3D métalliques et semi-conductrices conçues - les matériaux de base potentiels pour les dispositifs semi-conducteurs de nouvelle génération, informatique neuromorphique et applications énergétiques avancées.
La nouvelle méthode, qui utilise une forme « piratée » d'ADN qui demande aux molécules de s'organiser en modèles 3D ciblés, est la première du genre à produire des nanostructures robustes à partir de plusieurs classes de matériaux. L'étude a été publiée dans Science Advances .
"Nous utilisons l'ADN pour programmer des matériaux à l'échelle nanométrique depuis plus d'une décennie", a déclaré l'auteur correspondant Oleg Gang, professeur de génie chimique et de physique appliquée et science des matériaux à Columbia Engineering et chef du groupe Soft and Bio Nanomaterials au Centre. pour les nanomatériaux fonctionnels (CFN). CFN est une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab.
"Maintenant, en nous appuyant sur nos réalisations précédentes, nous avons développé une méthode pour convertir ces structures basées sur l'ADN en de nombreux types de nano-architectures 3D inorganiques fonctionnelles, ce qui ouvre d'énormes opportunités pour la fabrication 3D à l'échelle nanométrique."
CFN est un leader dans la recherche sur l’auto-assemblage, le processus par lequel les molécules s’organisent spontanément. En particulier, les scientifiques du CFN sont des experts en assemblage dirigé par l'ADN.
Les chercheurs programment des brins d'ADN pour « orienter » le processus d'auto-assemblage vers des arrangements moléculaires qui donnent naissance à des propriétés bénéfiques, telles que la conductivité électrique, la photosensibilité et le magnétisme. Ensuite, ces structures peuvent être transformées en matériaux fonctionnels. À ce jour, CFN a utilisé l'assemblage dirigé par l'ADN pour produire des films minces commutables, des nanosupraconducteurs 3D et bien plus encore.
"Nous avons démontré différents types de structures que nous pouvons organiser en utilisant l'assemblage dirigé par l'ADN. Mais pour faire passer cette recherche au niveau supérieur, nous ne pouvons pas nous fier uniquement à l'ADN", a déclaré Gang. "Nous devions développer notre méthode pour créer des structures plus robustes avec des fonctionnalités plus spécifiques pour les technologies avancées telles que la microélectronique et les dispositifs à semi-conducteurs."
Récemment, Gang et ses collègues, dont plusieurs étudiants, ont réussi à faire croître de la silice, une forme oxydée de silicium, sur un réseau d'ADN. L’ajout de silice a créé une structure beaucoup plus robuste, mais la procédure n’était pas largement applicable à différents matériaux. L'équipe avait encore besoin de recherches supplémentaires pour développer une méthode capable de produire des matériaux métalliques et semi-conducteurs de manière efficace.
Pour développer une méthode plus universelle de production de nanostructures 3D, les chercheurs du groupe des nanomatériaux mous et biologiques du CFN ont collaboré avec le groupe des nanomatériaux électroniques du Centre.
"La relation entre les différents groupes de recherche du CFN est très fructueuse pour tout le monde", a déclaré l'auteur principal Aaron Michelson, chercheur postdoctoral au CFN qui a commencé cette recherche alors qu'il était étudiant diplômé de Columbia.
"Nos laboratoires de bio et de matière molle sont à côté des laboratoires de synthèse de matériaux, qui sont à côté des laboratoires de microscopie électronique, il s'agit donc d'une relation très synergique. La culture du CFN facilite les itérations dans la recherche, et en plus de cela, nous sommes entouré de tout l'équipement de pointe dont nous avons besoin."
Les scientifiques du groupe des nanomatériaux électroniques ont mis au point une nouvelle technique de synthèse de matériaux appelée infiltration en phase vapeur. Cette technique lie un précurseur chimique, sous forme de vapeur, à un réseau à l'échelle nanométrique, pénétrant au-delà de la surface et profondément dans la structure du matériau.
La mise en œuvre de cette technique sur les structures de silice que l'équipe de Gang avait précédemment construites, en utilisant des précurseurs contenant des éléments métalliques, a permis aux chercheurs de produire des structures métalliques en 3D.
"Nous utilisions déjà cette technique pour d'autres applications, comme l'amélioration des matériaux microélectroniques ou des membranes de séparation des gaz pour l'hydrogène, lorsque nous avons réalisé qu'elle pouvait être appliquée à l'assemblage dirigé par l'ADN", a déclaré l'auteur co-correspondant Chang-Yong Nam, scientifique du Groupe de nanomatériaux électroniques au CFN.
Nam dirige le programme de recherche sur le développement de méthodes de synthèse par infiltration en phase vapeur pour les applications de la microélectronique et des technologies énergétiques. "C'était très excitant."
L'équipe a également expérimenté l'infiltration en phase liquide, une autre technique qui forme des liaisons chimiques à la surface d'un matériau, sauf avec un précurseur liquide. Dans ce cas, l'équipe a lié différents sels métalliques à de la silice, formant ainsi diverses structures métalliques.
"En incorporant des revêtements mono-éléments et multi-éléments grâce à des techniques d'infiltration en phase liquide et vapeur, nous avons préservé le réseau d'ADN sous-jacent tout en permettant la production de nanostructures inorganiques 3D", a déclaré Gang.
Michelson a ajouté :« Une autre façon de réfléchir à la façon dont nous avons construit ces structures est de les comparer à la construction d'une maison. Tout d'abord, vous construisez les os – le bois de la maison ou la silice dans ces matériaux. Ensuite, vous commencez à ajouter des éléments. composants fonctionnels, comme l'isolation ou les éléments métalliques."
La variété de composants fonctionnels disponibles, tant pour les maisons que pour les nanomatériaux, est vaste. Par exemple, pour protéger les maisons contre les tempêtes, certaines maisons ont besoin de fenêtres résistantes aux ouragans et d’autres ont besoin de fondations surélevées. D’autres maisons ont besoin d’une combinaison de composants uniques et fonctionnels comme ceux-ci – et il en va de même pour les nanomatériaux. Ainsi, pour permettre la production de la plus grande variété de nanostructures fonctionnelles grâce à une seule méthode, l'équipe a décidé de combiner les deux techniques d'infiltration.
"L'empilement de ces techniques a montré un contrôle beaucoup plus approfondi que jamais auparavant", a déclaré Michelson. "Toutes les vapeurs disponibles comme précurseurs pour l'infiltration en phase vapeur peuvent être couplées à divers sels métalliques compatibles avec l'infiltration en phase liquide pour créer des structures plus complexes. Par exemple, nous avons pu combiner du platine, de l'aluminium et du zinc sur une seule nanostructure. ."
Cette méthode universelle s’est avérée extrêmement efficace pour produire des nanostructures 3D d’une grande variété de compositions de matériaux, à tel point qu’elle a surpris les chercheurs. L’équipe a pu produire des nanostructures 3D contenant différentes combinaisons de zinc, d’aluminium, de cuivre, de molybdène, de tungstène, d’indium, d’étain et de platine. Il s'agit de la première démonstration de ce type pour la création de nanomatériaux 3D hautement structurés.
"L'une des choses les plus surprenantes de cette expérience est que nous avons réussi à produire autant de compositions matérielles différentes de nanostructures en utilisant un protocole de processus identique, d'une manière simple, reproductible et robuste", a déclaré Michelson.
"En règle générale, pour une recherche comme celle-ci, vous devez consacrer beaucoup de temps à une seule classe de matériaux pour essayer de la faire fonctionner, jour après jour. Alors qu'ici, presque tout ce que nous avons essayé a fonctionné rapidement, et à un moment donné, nous avons simplement dû arrêter de produire des structures parce que nous voulions écrire à ce sujet."
Pour prouver le succès de cette méthode pour chaque nanostructure développée, jusqu'au niveau de détail le plus fin, les chercheurs ont exploité l'expertise et les installations d'imagerie de classe mondiale du CFN et de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). NSLS-II est une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab qui produit des rayons X ultra-lumineux pour éclairer la composition physique, chimique et électronique des échantillons à l'échelle atomique.
"Non seulement nous avons créé toutes ces nanostructures, mais nous avons également caractérisé chacune d'entre elles pour essayer de les comprendre et de les traiter davantage", a déclaré Michelson. "Au départ, ces matériaux pourraient exister dans un état intermédiaire, que nous pourrions ensuite traiter jusqu'à un état final, plus fonctionnel et utile."
Plusieurs propriétés sont nécessaires pour fabriquer des matériaux utiles pour des technologies telles que les dispositifs à semi-conducteurs. Pour cette étude, les chercheurs ont conféré une conductivité électrique et une photoactivité aux nanostructures 3D. Par exemple, ils ont commencé avec un matériau isolant puis, grâce à leur nouvelle méthode d’assemblage dirigée par l’ADN qui intègre deux techniques d’infiltration, ils ont ajouté des oxydes métalliques semi-conducteurs, tels que l’oxyde de zinc, afin que la nanostructure puisse hériter de sa conductivité électrique et de sa photoluminescence. /P>
Enfin, pour tous leurs produits finaux, ils ont amené les échantillons aux installations d'imagerie du Brookhaven Lab pour voir leur composition volumétrique.
Au CFN, l'équipe a utilisé l'installation de microscopie électronique pour produire des vues haute résolution de leurs structures après infiltration en phase vapeur, infiltration en phase liquide et empilement des deux techniques, pour chaque précurseur utilisé.
Ils ont exploité une combinaison de microscopes électroniques à transmission et de microscopes électroniques à balayage, qui génèrent des images avec une résolution à l'échelle nanométrique en analysant respectivement la manière dont les électrons rebondissent ou traversent les échantillons.
Ces techniques ont permis aux chercheurs de produire des vues pittoresques de leurs nanostructures et de cartographier leurs arrangements chimiques avec une grande précision et sur de petites zones de leurs échantillons.
Pour obtenir des vues 3D de ces informations sur des zones plus vastes, l'équipe a utilisé la ligne de lumière de diffusion de matériaux complexes (CMS) et la ligne de lumière de nanoprobe à rayons X durs (HXN) du NSLS-II.
CMS est une ligne de lumière partenaire exploitée conjointement par NSLS-II et CFN. Là, les chercheurs ont dirigé les rayons X ultra-lumineux du NSLS-II vers leurs échantillons, observant comment les rayons X se dispersaient pour déduire les arrangements atomiques 3D des nanostructures. Pendant ce temps, HXN a fourni une imagerie 3D directe des structures et de leurs « cartes » chimiques.
Les chercheurs ont utilisé la première technique de HXN, la nanotomographie aux rayons X, qui fonctionne de manière similaire à un scanner médical. La ligne de lumière capture 180 projections 2D de l’échantillon, en le faisant pivoter d’un degré à la fois. Ensuite, les ordinateurs construisent une image 3D à partir de la série de projections. Mais contrairement aux tomodensitogrammes, HXN intègre une nanosonde pour capturer les projections avec une résolution nanométrique.
"Ce type de détails chimiques ne peut pas être capturé par d'autres techniques ou par toute autre installation", a déclaré le co-auteur Hanfei Yan, scientifique principal de la ligne de lumière au HXN. "Et cette information était très importante pour cette étude en raison de la complexité des nanostructures. La découverte de la distribution des éléments nous a aidé à déterminer si la nouvelle méthode était efficace et si les revêtements pénétraient complètement dans le réseau."
Michelson a déclaré :"HXN nous a fourni une résolution spatiale et élémentaire que nous ne pouvions atteindre nulle part ailleurs. HXN nous a aidés à confirmer que non seulement ces revêtements étaient présents sur les surfaces du matériau, mais qu'ils étaient en réalité volumétriques par rapport à l'échantillon."
Le groupe avait précédemment utilisé cette technique pour révéler la structure 3D des réseaux d’ADN avec une résolution de particule unique. Désormais, cette technique leur a permis de révéler les arrangements de nanocaractéristiques métalliques et semi-conductrices au plus profond de l'échantillon, ce qui était important pour vérifier la fidélité et la puissance de leur méthode de fabrication.
Après avoir confirmé le succès de sa nouvelle méthode, le CFN va désormais s'efforcer d'appliquer la méthode à des recherches plus complexes et de la proposer aux scientifiques invités. En tant qu'installation utilisateur, CFN met ses capacités et son expertise à la disposition des « utilisateurs » à travers le pays et dans le monde. L'assistance aux expériences utilisateur fournit non seulement aux chercheurs externes des outils auxquels ils n'auraient normalement pas accès, mais ouvre également la porte à de nouvelles collaborations et à de nouvelles idéations scientifiques qui autrement ne pourraient jamais se concrétiser.
"Nous développons ces matériaux et méthodes, ce qui est intéressant pour nos propres programmes au CFN, mais nous aimerions également voir les utilisateurs utiliser ces méthodes pour leurs propres recherches", a déclaré Gang. "Nous cherchons toujours à étendre nos méthodes et à connecter de nouveaux chercheurs à nos développements. Nous voulons que nos travaux profitent à la communauté scientifique au sens large, et pas seulement au Brookhaven Lab."
L'écosystème d'expertise et d'installations du CFN qui a bénéficié à cette recherche profite également aux utilisateurs, et le CFN élargit constamment son offre et la rend plus accessible. Par exemple, les scientifiques cherchent à mettre en œuvre la nouvelle méthode de recherche dans l'un des outils les plus récents du Centre, un robot de manipulation de liquides.
"Le développement de ces méthodes et la publication d'articles ne constituent qu'une partie de la mission globale du CFN", a déclaré le co-auteur Jason Kahn, scientifique au sein du groupe Soft and Bio Nanomaterials du CFN.
« Un autre objectif majeur du CFN est de rendre notre travail et nos installations plus accessibles, ce qui implique le développement d'un protocole standard permettant aux utilisateurs de synthétiser des matériaux à haut débit. Nous voulons que les utilisateurs puissent venir nous voir et dire :« Je veux fabriquer ce matériau avec cette épaisseur, cette structure et cette composition pour obtenir ces propriétés spécifiques. La mise en œuvre du gestionnaire de liquides facilitera ce protocole."
CFN étudie également les propriétés mécaniques des nanomatériaux, et les matériaux tels que ceux développés dans ce travail présentent un grand potentiel pour améliorer les performances mécaniques, comme l'a récemment montré le groupe dans une autre étude.
Dans l’ensemble, la nouvelle méthode de CFN pour créer des nanostructures 3D conçues, robustes et fonctionnellement réglables a ouvert la voie à des percées dans la fabrication avancée à petite échelle. Leurs travaux pourraient permettre diverses technologies émergentes et offriront de nouvelles opportunités aux initiatives scientifiques et aux utilisateurs du Brookhaven Lab.
Plus d'informations : Aaron Michelson et al, Structures tridimensionnelles de métaux, d'oxydes métalliques et de semi-conducteurs à l'échelle nanométrique via un assemblage et des modèles programmables par ADN, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adl0604
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
Fourni par le Laboratoire national de Brookhaven
