纳米材料

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来源：《新材料产业》 2013年第1期

美开发出迄今最小砷化铟镓晶体管 长度仅22nm

据报道，美国麻省理工学院科学家开发出了有史以来最小的砷化铟镓晶体管。该校微系统技术实验室科研团队开发的这个复合晶体管，长度仅为22nm。

麻省理工学院电气工程和计算机科学系教授德尔·阿拉莫表示，随着硅晶体管降至纳米尺度，器件产生的电流量也不断减小，从而限制了其运行速度，这将导致摩尔定律逐渐走到尽头。为了延续摩尔定律，研究人员一直在寻找硅的替代品，以能在较小尺度上产生较大电流。其中之一便是砷化铟镓，已用于光纤通信和雷达技术的该化合物具有极好的电气性能。

阿拉莫团队的研究表明，使用砷化铟镓创建一个纳米尺寸的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS F ET）是可能的，MOS F ET是微处理器等逻辑应用中最常用的类型。晶体管包括3个电极：栅极、源极和漏极，由栅极控制其他两极之间的电流。由于这些微小晶体管的空间十分紧张，3个电极必须被放置得相互非常接近，但即便使用精密的工具，也很难达到精确水平。阿拉莫团队则实现了晶体管栅极在其他2个电极之间进行“自对准”。

研究人员首先使用分子束外延法生长出薄层的砷化铟镓材料，然后在源极和漏极上沉积一层金属钼。研究人员使用电子聚焦束在该基底上“画”出一个极其精细的图案，然后蚀刻掉材料不想要的区域，栅氧化物便沉积到微小的间隙上。最后，将钼蒸汽喷在表面上形成的栅极，可紧紧地挤压在其他2个电极之间。

阿拉莫表示，通过刻蚀和沉积相结合，栅极就能安放在四周间隙极小的电极之间。他们的下一步目标将是，通过消除器件内多余的阻力来进一步改善晶体管的电气性能，并提高其运行速度。一旦实现此一目标，他们将进一步缩减器件尺寸，最终将晶体管的栅极长度减至10nm以下。（科技日报）

美制造出首个纳米线光子开关

据每日科学网报道，美国宾夕法尼亚大学研究人员用硫化镉纳米线制造出了第1个全光光子开关，并将其与逻辑门结合，而这是计算机芯片处理信息的基本组成部分。研究人员指出，这是光子学前沿领域的重要进展，未来有望带来用光计算的光子计算机。相关论文发表在《自然·纳米技术》杂志上。

研究由该校工程与应用科学学院材料科学系副教授莱特斯阿加瓦尔和研究生布赖恩皮科尼共同指导。这一革新型开关以他们早期的研究为基础。他们的早期研究显示，硫化镉纳米线具有极强的光物质耦合性，用其操纵光线非常有效，而这种特性对开发纳米光子电路至关重要。现有的光控制装置非常笨重，而且所需能量比电子设备更多。

对纳米光子结构而言，最大的难题是让光线进入，再加以处理，然后让它们出去。阿加瓦尔说，我们的主要创新就是解决了第一个问题，使纳米线本身成为一种芯片上的光源。

他们先在纳米线上刻下精确的缝隙，然后在第1段纳米线输入足够能量，这样其底端和缝隙就会发出激光。由于开始时他们只用1根纳米线，所以两段的端口完全匹配，第2段能有效吸收并传输来自第1段的光。阿加瓦尔说：当第2段接到激光，我们就发出另外的光，并关闭纳米线中正传来的光。这样它就成了一个开关。

研究人员能检测从第2段纳米线端口发出的光的强度，以确保开关能有效表现逻辑装置中所用的二进制状态。他们把2根纳米线结合构成Y型，成功构建了2个与非门。这一与非门功能完整，如果以正确的顺序输入，它们能做任何类型的逻辑运算，因而构成了通用计算机处理器的基础。在未来，可能会看到消费电子产品变成了消费光子产品。阿加瓦尔说，这项研究表明这是可能的。（科技日报）

美科学家用DNA“砖块”搭出上百种三维纳米结构

据物理学家组织网报道，最近，美国哈佛大学维斯生物工程研究院的科学家用D N A“砖块”造出了100多种三维纳米结构。几个月前，该研究小组曾造出了一些二维结构，这是又一大的进步，意味着他们从能建造一面墙到可以建造一座房子了。介绍新方法的论文作为封面文章发表在近期出版的《科学》杂志上。

DNA“砖块”是指构成DNA双螺旋链的4种碱基：腺嘌呤( A )、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)，A只能和T配对，C只能和G配对。它们就像“乐高”玩具，可以搭建出各种结构。这种纳米制造技术称为“D N A—砖块自组装”，用人造的D N A短链像乐高砖块那样搭扣拼装。它充分利用了D N A编程的能力，将D N A碱基对组合搭配成各式“菜谱”，来组成预先设计好的形状。

2012年初，研究小组在《自然》杂志上报告称，他们用D N A砖块(每块长42个碱基，折叠成矩形“砖块”)构造出了二维平面，包括所有罗马字母、标点符号、数字等107个图案，但构建三维结构需要新的“折叠”方法。

新方法用的D N A砖块更小(长度为32个碱基)，将每个碱基对砖块转了90度，再将每两个砖块并成立体状，就可以向“上”、向“外”2个方向添砖加瓦了。每8个碱基对(约2.5nm)构成一个“三维像素”，这是它的最小结构单位，1000个这样的像素构成一个模块，这些模块就成为制作三维建筑的D N A分子“原料块”。研究人员用这些“原料块”制作了102种复杂的三维结构，包括字母、符号、汉字等，不仅表面精巧，还有着复杂的内部洞穴和孔道。另一种叫做“D N A折叠术”的方法能构建更稳定、更复杂的三维结构，但这种技术要依赖一条较长的D N A链做“支架”，并需要几百个短链D N A做“钉扣”把它折叠起来，而且每种新形状都需要一种新“支架”及相应折叠法、新的“钉扣”。论文作者尹鹏(音译)介绍说，相比之下，D N A“砖块”的方法不再需要支架链，由此可以形成一种模块化的结构，每块砖都能独立地加上或减去。“这种方法简单、稳定而且用途更广。”

新方法的下一个目标是将这种D N A纳米技术用在更尖端领域，比如“智能”医疗设备，能将标靶药物选择性地递送到病灶部位；可编程的成像探测仪器；下一代计算机线路制造，能精确排列无机物质的模板等等。

“设计出更多、更有效的方法来利用那些具有生物兼容性D N A分子，将其作为纳米技术中的结构建材，这将带来巨大的医疗价值以及非医疗方面的应用。”维斯铸造学院主管登·英格博说，“我们在这方面的能力正闪电般地增长。”（科技日报）

中国成功在单层氧化石墨烯上绘制纳米元器

据报道，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室研究人员利用原子力针尖诱导的局域催化还原反应，实现了在单层氧化石墨烯上直接绘制纳米晶体管器件。日前，该成果在线发表在国际著名学术期刊《自然·通讯》上。单层石墨烯是只有一个单原子层厚度的石墨，它比目前常用的金属导体具有更好的导电性、散热性，同时也是迄今为止世界上最轻薄、强度最大的材料，有望在微电子领域替代硅成为制造超精细晶体管的理想材料。如何在单层石墨烯上直接裁剪或制备出各种纳米线路，是实现人们梦想的以碳为主要材料的集成电路的前提，也被认为是石墨烯研究领域最具挑战的方向之一。

针对上述挑战，中国科学技术大学合肥微尺度国家实验室分子尺度量子调控研究团队的王晓平教授研究组和罗毅教授研究组紧密合作，在绝缘的氧化石墨烯上通过局域的还原反应，直接制备导电的纳米线路并构筑成晶体管及互联电路。研究人员利用表面镀铂的原子力针尖的局域催化作用，在氢气环境下，将氧化石墨烯加热到100℃左右，制备出最小宽度仅20n m的还原石墨烯条带，其电导率超过104S / m，比氧化石墨烯提高了100万倍。通过理论计算，他们揭示了这种局域还原反应的微观机理。利用此方法，他们还成功演示了纳米互联电路和场效应晶体管器件，其性能明显优于目前常用的导电聚合物和非晶硅场效应管器件。

专家指出，该技术可以用来直接绘制纳米电路，电路的线条宽度可控、制备条件要求低，并可与现有的微电子加工技术无缝兼容，有望推动石墨烯纳米器件、电路与集成的最终实现和应用。（中国航空报）

单层石墨烯弯曲特性研究取得重大进展

据报道，近期，《纳米通讯》期刊上发表了中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室魏宇杰研究员等关于单层石墨烯的弯曲刚度和高斯弯曲特性的论文。

在非约束或弱约束条件下石墨烯在热力扰动下将不可避免发生屈曲，这一过程由2个关键的物理量控制——正常弯曲刚度和高斯弯曲刚度。依据富勒烯和单壁纳米碳管的几何特性，需要两个主曲率半径来决定富勒烯的几何结构，但碳管仅需一个曲率半径。

这一特征使得研究者能结合第一原理计算与H e l f r i c h哈密顿量来准确确定单层石墨烯的弯曲刚度和高斯弯曲系数。结果表明，单层石墨烯的正常弯曲刚度为1.44电子伏，而其高斯弯曲刚度为-1.52电子伏。魏宇杰等发现单层石墨烯的弯曲刚度和生物细胞膜的弯曲刚度接近，从力学上表明这一材料和生物细胞之间可能轻易产生相互匹配作用。（中国科学院）

新型纳米复合离子聚合物电驱动器件问世

据报道，最近，中科院苏州纳米所研究员陈韦课题组制备出石墨烯包裹银纳米颗粒的电极，并在此基础上成功设计出电化学稳定的新型纳米复合离子聚合物电驱动器件。相关研究成果近日在线发表于《先进材料》杂志。

据了解，金属电极复合离子聚合物是一种新型的智能材料，可广泛应用于仿生机器人、微医疗器械、微流控、人机交互等领域。目前，这种智能材料主要是通过阳离子交换膜和铂等贵金属化学镀方法复合而成，所使用的贵金属电极价格高昂、原料稀有。因而，寻找可替代贵金属电极的廉价的并可大规模制备的材料成为国内外学者研究的热点课题。

陈韦课题组在前期研究中发现，石墨烯作为一种稳定的电化学器件电极材料，在仿生智能材料设计中具有明显的优势。为了既利用银的高导电性，同时又避免发生电化学侵蚀，研究人员创造性地设计制备了二维石墨烯包裹的银纳米颗粒电极材料。

据介绍，该方法在发展异质纳米结构电化学驱动器件和传感器方面有着广泛的应用前景和价值。该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部以及江苏省自然科学基金委的支持。（中国科学报）

纳米间隙电极传感器件研究工作中获重要进展

据报道，在国家重点基础研究发展计划（“973”计划）、国家自然科学基金委重大研究计划“纳米制造的基础研究”、中科院“百人计划”等项目的大力支持下，近期，中国科学院合肥研究院智能所仿生功能材料与传感器件研究中心研究员刘锦淮和黄行九带领课题组在纳米间隙电极传感器件的研究中取得重要进展。

纳米间隙电极传感器件的突出特点是直接地将待测物质的某种特性转化为更简洁、更直观的电信号——如电阻、阻抗、电容、介电性等，以实现对目标分子的痕量、高灵敏度检测。其中，针对痕量的待测目标分子，如何获得增强、有效的信号一直是研究热点之一。智能所研究人员运用金纳米颗粒构筑了纳米间隙电极，提出了2种检测新思路。

首先，研究人员通过在纳米间隙电极间引入硒化镉量子点（C d S e量子点），通过硒化镉量子点对紫外可见光的光敏特性，从而有效地提高了有机分子链霉亲和素检测的灵敏度与信号强度。检测浓度低至10n m o l / L（紫外光照条件下信号增强可达到40n A左右）。同时，还采用电化学阻抗谱和循环伏安法进一步证实了紫外可见光照下信号显著增强效应；而且停止光照后电化学阻抗值恢复到未加光照的水平，表明硒化镉量子点的信号增强作用是可靠且可逆的。这一研究结果近期发表在国际纳米材料杂志《微尺度》上，并被选为当期封面。