美國史丹佛線性加速中心(Stanford Linear Accelerator Center;SLAC)最近展示號稱最薄的奈米線,相當於僅3個原子的厚度。SLAC的製程採用被稱為「類鑽石」(diamondoid)的最小鑽石片,作為銅/硫原子自組裝的絕緣外殼。這種號稱世界上最小的‘diamondoid’鑽石結構(周長僅10個原子的金剛烷),能夠讓3原子厚的導電核心自組裝成任何長度。

由於碳奈米管可望成為最小的電晶體通道,SLAC正致力於為未來的微型電晶體打造互連技術。就像奈米管一樣,在自組裝過程變得夠可靠、準確,足以用於製造大量電晶體晶片以前,這一技術還有很長的路要走,儘管如此,其未來發展潛力無窮。

20161230 diamondoid NT01P1 分子建構單元連接生長的奈米線尖端。每個單元由連接至硫與銅原子(分別為黃色與棕色球)的最小鑽石結構(diamondoid)組成,能自動地自組裝成為僅3原子薄的奈米線。銅與硫原子在中間形成導電線,而diamondoid類鑽石則形成絕緣外殼。(資料來源:SLAC國家加速器實驗室)

在《自然材料》(Nature Materials)期刊,描述了這些具有固態無機核心的微小奈米線,它被稱為混合金屬—有機硫屬化物奈米線,並擁有3原子橫截面。

除了互連技術,SLAC的研究團隊還打算利用其奈米線,打造能夠發電的奈米編織物、結合電與光的光電元件,以及協助建構超導材料。

20161230 diamondoid NT01P2 自組裝的微型奈米線透過類鑽石結構,就能夠用肉眼看到,因為在其類鑽石外殼之間相互吸引力十分強大,使其大量聚合在一起。右上方的掃描電子顯微鏡(SEM)影像顯示奈米線束放大了10,000倍。(來源:史丹佛材料與能源科學研究所;SLAC國家加速器實驗室)

為了形成奈米線,SLAC研究人員製作了簡單的「燒杯」製程,僅需在溶液中放置適當的材料與diamondoid,經過半小時後,奈米線即開始自組裝。

由於這種類鑽石形成的外殼不具導電性,但其內部具有導電的銅/硫原子,令人驚訝地是,這種奈米線極其類似人造導線,只不過它更小幾百萬倍。

研究人員們聲稱,銅和硫屬化物奈米線核心在承載電流時表現出良好的導電性能。同時,也因為這種微型材料具有原子級精確度,研究人員期望能找到比採用大尺寸製造的相同材料更稀有的新特性。

20161230 diamondoid NT01P3 史丹佛大學研究生Fei Hua Li(左)、博士後研究員Hao Yan,模擬號稱最薄奈米線的自組裝過程(來源:SLAC國家加速器實驗室)

研究人員所使用的類鑽石自然存在於一些石油產品中,使該製程的執行相對低廉。史丹佛大學的研究人員並發現這種類鑽石可用於改善電子顯微鏡影像以及微小元件的構造等其它用途。

20161230 diamondoid NT01P4 最小材料的「球-棒式模型」,以及金剛烷——由10個碳原子以及僅3原子寬的導電核心組成。(來源:SLAC國家加速器實驗室)

該研究團隊由SIMES主任Thomas Devereaux為主導,他並負責建模與驗證SLACS史丹佛同步X射線輻射光源的實驗結果。其他研究人員包括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與Nicholas Melosh。

研究資金則是由美國能源部(DoE)和德國研究基金會(German Research Foundation)提供。此外,這項研究計劃還得到了史丹佛大學材料與科學工程系、羅倫斯柏克萊國家實驗室(LBNL)、墨西哥國家自治大學(UNAM)以及德國Justus-Liebig大學的協助。部份研究並於柏克萊實驗室的先進光源(ALS)和國家能源研究科學運算中心(NERSC)進行。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Thinnest Nanowire Self-assembles,by R. Colin Johnson)