布鲁克海文国家实验室的阿丽亚娜·曼格拉维蒂 描述用于制造新材料的渗透合成过程的示意图
顶部:通过将无机前体(起始材料)渗透到有机模板(如聚合物薄膜)中生成有机-无机杂化物
底部:区域选择性渗透到嵌段共聚物中，或由两个或多个化学性质不同的“嵌段”自组装的聚合物中
“无机前体只渗透到蓝色聚合物区域
然后有选择地除去有机基质，生成继承起始聚合物域几何形状的无机纳米结构
学分:布鲁克海文国家实验室 自文明开始以来，从史前石器时代、青铜时代、铁器时代到现代硅时代，人类一直在开发新材料来改善他们的生活
随着每个时期的到来，技术突破改变了我们的生活方式
想想1961年硅芯片的发明，它为数字革命铺平了道路
没有这个微小的电子元件，我们就没有笔记本电脑或手机
应对今天的挑战同样需要物质进步
例如，我们如何更高效地制造将阳光转化为电能的太阳能电池板？续航时间更长的电池？越来越小的电子设备？科学家们正在通过材料科学和工程寻求这些问题的解决方案
它们既提高了现有材料的性能，又创造了具有无与伦比的性能的全新材料
在过去的十年里，美国CFN功能纳米材料中心的科学家们
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能源部下属的布鲁克海文国家实验室已经成为该领域的领导者
特别是，他们正在开发一种制造材料的新方法:渗透合成
顾名思义，渗透合成包括将一种物质渗透或注入另一种物质
通过在有机(含碳)材料中注入无机(不含碳)材料，可以产生一种“混合”材料，其性能在任何一种起始组分中都看不到
有机物质可以是聚合物薄膜、使用光源或电子束(一种称为光刻的技术)以特定几何形状图案化的聚合物、由两种或多种化学上不同的“嵌段”(嵌段共聚物)自组装的聚合物，或者甚至是自组装的脱氧核糖核酸结构
当有机基质以交替的顺序暴露于含无机的气体或液体前体(起始材料)时，发生渗透
氧化锌纳米线阵列、纳米线阵列晶体管和纳米线阵列紫外光光电探测器的扫描电子和光学显微镜图像(顶部)
科学家们将渗透合成和光刻技术结合起来，制造出精确排列的纳米线阵列，并将它们集成到器件中
光电探测器对紫外光具有超高的灵敏度，如图所示(底部)
学分:高级光学材料(2017) 通过将混合材料置于氧等离子体(一种带电气体)下或高温氧气环境中，科学家也可以选择性地去除有机成分
无机部分保留下来并继承了有机“模板”模式，这对于创建无机纳米结构并将它们集成到电子器件中是有用的
“传统的纯化学方法，如化学合成是复杂的，”CFN电子纳米材料集团的科学家张永南解释说，他正在领导渗透合成研究
“不能保证你最终会得到你所瞄准的房产
创造非常小的特征——这对制造电子设备很重要——是很困难的
渗透合成解决了这些问题，并且所需的工具在任何纳米制造设备中都是容易获得的
" Nam、CFN的同事和外部合作者已经演示了渗透合成是如何被用来创造一系列新的功能材料，实现广泛的应用
2015年，他们使用渗透合成和光刻技术将无机纳米线——宽度约为十亿分之一米的线状结构——制成晶体管
这项研究第一次证明了这项技术可以用于设计电子设备
扩展了这个最初的概念，他们把排列完美的纳米线阵列做成对紫外线高度敏感的光电探测器
为了进一步提高灵敏度，他们将堆叠的自组装嵌段共聚物图案转化为3D“纳米网格”结构
由这种3D分层几何形状实现的大表面积和孔允许放置更多的纳米线传感元件
(左)氧化锌纳米网的俯视和侧视扫描电子显微镜图像
(右图)一个纳米网格设备，电极(黄色)通过光刻形成图案
如图所示，六层的装置吸收了最多的紫外线，导致最高的电流
信用:纳米级(2019) 嵌段共聚物自组装和渗透合成的这种结合也使得CFN的其他研究团队能够进行各种创新
例如，一个团队使用该技术在硅太阳能电池表面织构化锥形纳米结构
类似的微小结构覆盖在蛾的眼睛上，以防止光反射，科学家们在纳米纹理太阳能电池以及“不可见的玻璃”表面上证明了这种抗反射效果
当光线照射到太阳能电池上时，你希望最小化反射(或者说，最大化吸收)，这样太阳能就可以有效地转化为电能
对于电脑、手机和其他电子设备上的显示屏，您希望消除光反射以防止眩光
继这些对无机材料的研究之后，科学家们开始探索也是通过渗透合成产生的有机-无机杂化材料的特性
例如，他们创造了混合的“纳米柱”，表现出金属的高强度和泡沫的低硬度
凭借这种罕见的机械性能组合，这种材料可以储存和释放前所未有的弹性能量，使其适用于需要超小弹簧、杠杆或马达的设备，如加速度计、谐振器和生物合成人造肌肉
科学家们还展示了混血儿如何充当反射特定波长光的光学涂层；高灵敏度的氧气和水传感器；为下一代微电子技术将超小特征转移到硅中的光刻胶；用于生物成像中细胞标记和跟踪的单个纳米颗粒上的全面涂层；和造影剂来显现3D嵌段共聚物的复杂几何形状
“渗透合成的神奇之处在于它的可调谐性，”CFN电子纳米材料小组组长凯文·雅戈说
“通过选择合适的浸渗剂和合适的加载水平，您可以非常精确地输入所需的材料特性
这使您可以针对各种各样的应用程序，并为每个特定的任务优化材料
" (顶部)已渗透铂(铂)的堆叠自组装嵌段共聚物薄膜示意图
彩色背景图像显示通过去除有机基质获得的铂纳米网；纳米网可用于催化和化学传感
(底部)混合薄膜根据堆叠层数改变颜色
学分:美国化学学会应用材料接口(2020) 最近，科学家们一直在研究他们的混合抗蚀剂对极端紫外(e UV)光刻的适用性
半导体技术公司正在使用这种新兴技术将晶体管——电子元件的组成部分，如中央处理器和随机存取存储器——缩小到5纳米以下
减小特征尺寸将使得电子器件的制造具有更高的处理速度和更低的功耗
尽管EUV光刻技术前景看好，但仍存在一些挑战，包括对高灵敏度抗蚀剂的需求
“EUV光刻需要能够吸收大量EUV光的抗蚀剂，而有机材料通常缺乏这种能力，”南解释说
“将无机物质渗透到有机成分中可以提高吸收率
" (左)渗透氧化锌的混合抗蚀剂横截面的透射电子显微镜图像
(右)混合抗蚀剂和未过滤聚合物的极紫外(EUV)曝光性能
氧化锌渗透增强了EUV灵敏度(降低了临界剂量)和曝光对比度(增加了曲线斜率)
信用:SPIE会议录(2021) 虽然许多小组现在正在开发抗蚀剂技术，但对抗蚀剂中的渗透化学和EUV曝光过程缺乏基本的了解
Nam和他的团队已经开始在他们的混合抗蚀剂中研究这种机制，通过电子束光刻和CFN的低能电子显微镜以及布鲁克海文国家同步加速器光源二号的软物质界面(SMI)和软和软(STT)光谱学束线的x光散射和吸收光谱学
他们还在微场曝光工具(MET)束线处探索混合抗蚀剂的EUV曝光特性和图案化性能，该束线是由领先的半导体公司(包括英特尔公司和三星电子)赞助的EUV私人束线，属于劳伦斯·伯克利国家实验室的高级光源
他们的初步结果为如何优化渗透化学和方法以提高EUV灵敏度提供了重要的反馈
该团队还在制造一种基于混合的神经形态转换设备，该设备模拟大脑计算和传输信息的方式
在最初的演示中，它们的混合结构显示出模仿大脑突触动作或神经元之间连接的潜力
他们还发现，杂交显著降低了器件间的性能差异，这对于创建实用的大规模神经形态器件阵列至关重要
这种受大脑启发的计算将为学习、搜索和感知等人工智能任务提供显著的能效和处理速度飞跃
“向前看，我们在渗透合成方面还有很多可以做的，”南说
“我们很高兴能够继续探索其在下一代微电子和纳米电子以及能源技术方面的多样应用，希望能为我们未来社会的转型做出贡献
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