一种新方法将使研究人员能够制造出更小、更快、功能更强大的纳米级器件，并且能够实现分子控制和精确度。利用单层碳原子或石墨烯，加州大学圣迭戈分校的纳米工程师们发明了一种制造纳米结构的新方法，这种纳米结构含有明确定义的原子大小的间隙。加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院的研究成果发表在 1 月份的《纳米通讯》（Nano Letters）杂志上。
具有这些定义明确的原子大小间隙的结构可用于检测与某些疾病相关的单个分子，有朝一日还可能研制出比当今计算机中的微处理器小100倍的微处理器。
产生极小间隙（称为纳米间隙）的能力在制造纳米级结构时非常理想，这种结构通常用作光学和电子设备的元件。例如，通过减小微芯片上电子电路之间的间距，人们可以在同一芯片上安装更多的电路，从而制造出计算能力更强的设备。
加州大学圣迭戈分校纳米工程教授达伦-利波米（Darren Lipomi）领导的一个由博士生和本科生组成的研究小组证明，在两个纳米结构之间产生较小纳米间隙的关键在于使用石墨烯间隔物，这种间隔物可以被蚀刻掉，从而产生间隙。
石墨烯是已知最薄的材料：它由单层碳原子组成，厚度约为 0.3 纳米，比人的头发丝还要薄 10 万倍。利波米团队开发的技术克服了光刻和电子束光刻等标准制造方法的一些局限性。相比之下，使用标准方法生成的最小纳米缝隙宽度为 10-20 纳米。
“Lipomi 说：”从哲学的角度来看，制造纳米缝隙非常有趣。”虽然纳米技术的大部分工作都集中在制造材料上，但我们基本上什么也没做成 – 但尺寸是可控的”。
制造 “无”
制造纳米缝隙的方法首先是生产薄膜，在薄膜中，单层石墨烯夹在两块金金属片之间。首先，在铜基底上生长石墨烯，然后在其上叠加一层金金属片。由于石墨烯与金的粘附性比与铜的粘附性更好，因此整个石墨烯单层可以很容易地被移除，并在大面积上保持完好无损。与其他用于生产类似分层结构的技术相比，这种方法可将石墨烯转移到金膜上，且缺陷或污染极少。
“我们实验室开发的这种新方法被称为金属辅助剥离法。 这是迄今为止我们能将单层石墨烯置于两种金属之间，并确保其不包含裂缝、裂纹、褶皱或不需要的化学物质的唯一方法，”Lipomi 研究小组的研究生 Alex Zaretski 说，他是这项技术的开拓者，也是这项研究的第一作者。”金属辅助剥离有可能对使用大面积石墨烯的行业有用”。
一旦金/石墨烯复合材料与铜基板分离，石墨烯层新暴露的一面就会与另一块金片夹在一起，生成金/单层石墨烯/金薄膜。
然后将薄膜切成 150 纳米宽的纳米结构。最后，用氧等离子体处理这些结构以去除石墨烯。这些结构的扫描电子显微照片显示，金层之间存在极小的纳米间隙。
纳米间隙应用
这项技术的一个潜在应用是超灵敏检测单分子，尤其是某些疾病的特征分子。当光线照射到具有极小间隙的结构上时，间隙内的电磁场会大大增强。这种增强的电磁场反过来又会增加间隙内任何分子产生的信号。
利波米说：”如果某种疾病标记物进入并弥合了纳米结构之间的间隙，你就会观察到纳米间隙的光散射发生了变化，这种变化将与疾病是否存在相对应。
虽然这项研究中报告的技术可以生产出适用于光学应用的纳米结构，但它在电子应用方面却有一个重大缺陷。对金纳米结构进行的拉曼光谱测量显示，经过氧等离子体处理后，金层之间仍残留有少量石墨烯。这意味着，到目前为止，只有暴露在金纳米结构表面附近的石墨烯可以被去除。对于电子设备来说，石墨烯仍然留在结构中是不可取的，因为电子设备需要在结构之间留有整个间隙。研究小组正在研究如何解决这个问题。
未来，该团队还希望探索如何通过增加石墨烯层的数量来改变结构之间明确界定的间隙厚度。
“对于光学应用来说，最好能有比我们产生的间隙更大一些的间隙。Lipomi 说：”我们只是想在原则上展示有可能实现的最小间隙尺寸。
更多信息
“Using the Thickness of Graphene to Template Lateral Subnanometer Gaps between Gold Nanostructures.” Nano Letters 2015; 15: 635 DOI: 10.1021/nl504121w
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