美国斯坦福线性加速中心(Stanford Linear Accelerator Center;SLAC)最近展示号称最薄的纳米线,相当于仅3个原子的厚度。SLAC的工艺采用被称为“类钻石”(diamondoid)的最小钻石片,作为铜/硫原子自组装的绝缘外壳。这种号称世界上最小的‘diamondoid’钻石结构(周长仅10个原子的金刚烷),能够让3原子厚的导电核心自组装成任何长度。

由于碳纳米管可望成为最小的晶体管通道,SLAC正致力于为未来的微型晶体管打造互连技术。就像纳米管一样,在自组装过程变得够可靠、准确,足以用于制造大量晶体管芯片以前,这一技术还有很长的路要走,尽管如此,其未来发展潜力无穷。 20161230 diamondoid NT01P1 分子建构单元连接生长的纳米线尖端。每个单元由连接至硫与铜原子(分别为黄色与棕色球)的最小钻石结构(diamondoid)组成,能自动地自组装成为仅3原子薄的纳米线。铜与硫原子在中间形成导电线,而diamondoid类钻石则形成绝缘外壳。(数据源:SLAC国家加速器实验室)

在《自然材料》(Nature Materials)期刊,描述了这些具有固态无机核心的微小纳米线,它被称为混合金属—有机硫属化物纳米线,并拥有3原子横截面。

除了互连技术,SLAC的研究团队还打算利用其纳米线,打造能够发电的纳米编织物、结合电与光的光电组件,以及协助建构超导材料。 20161230 diamondoid NT01P2 自组装的微型纳米线透过类钻石结构,就能够用肉眼看到,因为在其类钻石外壳之间相互吸引力十分强大,使其大量聚合在一起。右上方的扫描电子显微镜(SEM)影像显示纳米线束放大了10,000倍。(来源:斯坦福材料与能源科学研究所;SLAC国家加速器实验室)

为了形成纳米线,SLAC研究人员制作了简单的“烧杯”工艺,仅需在溶液中放置适当的材料与diamondoid,经过半小时后,纳米线即开始自组装。

由于这种类钻石形成的外壳不具导电性,但其内部具有导电的铜/硫原子,令人惊讶地是,这种纳米线极其类似人造导线,只不过它更小几百万倍。

研究人员们声称,铜和硫属化物纳米线核心在承载电流时表现出良好的导电性能。同时,也因为这种微型材料具有原子级精确度,研究人员期望能找到比采用大尺寸制造的相同材料更稀有的新特性。 20161230 diamondoid NT01P3 斯坦福大学研究生Fei Hua Li(左)、博士后研究员Hao Yan,模拟号称最薄纳米线的自组装过程(来源:SLAC国家加速器实验室)

研究人员所使用的类钻石自然存在于一些石油产品中,使该工艺的执行相对低廉。斯坦福大学的研究人员并发现这种类钻石可用于改善电子显微镜影像以及微小组件的构造等其它用途。 20161230 diamondoid NT01P4 最小材料的“球-棒式模型”,以及金刚烷——由10个碳原子以及仅3原子宽的导电核心组成。(来源:SLAC国家加速器实验室)

该研究团队由SIMES主任Thomas Devereaux为主导,他并负责建模与验证SLACS斯坦福同步X射线辐射光源的实验结果。其他研究人员包括Hao Yan、Nathan Hohman、Fei Hua Li、Chunjing Jia、Diego Solis-Ibarra、Bin Wu、Jeremy Dahl、Robert Carlson、Boryslav Tkachenko、Andrey Fokin、Peter Schreiner、Arturas Vailionis、Taeho Roy Kim、Zhi-Xun Shen与Nicholas Melosh。

研究资金则是由美国能源部(DoE)和德国研究基金会(German Research Foundation)提供。此外,这项研究计划还得到了斯坦福大学材料与科学工程系、罗伦斯柏克莱国家实验室(LBNL)、墨西哥国家自治大学(UNAM)以及德国Justus-Liebig大学的协助。部份研究并于柏克莱实验室的先进光源(ALS)和国家能源研究科学运算中心(NERSC)进行。

编译:Susan Hong

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

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