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將制造時(shí)間從原來的數(shù)天縮短到數(shù)分鐘

（映維網(wǎng)Nweon?2023年08月17日）具有納米級(jí)精度的2D量子點(diǎn)和量子棒陣列的規(guī)模量產(chǎn)對(duì)一系列的器件而言都非常重要。盡管量子點(diǎn)電視現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化，但可以控制光的偏振和顏色，并能用于為VR設(shè)備生成圖像的量子棒則困難得多。

在一項(xiàng)由美國海軍研究辦公室、美國國家科學(xué)基金會(huì)、美國陸軍研究辦公室、以及美國能源部和國家環(huán)境健康科學(xué)研究所資助的項(xiàng)目中，麻省理工學(xué)院的研究人員利用折疊DNA制成的支架，并提出了一種精確組裝量子棒陣列的新方法。實(shí)驗(yàn)顯示，所述解決方案可以將制造時(shí)間從原來的數(shù)天縮短到數(shù)分鐘。

量子點(diǎn)（QD）和量子棒（QR）具有明亮和可調(diào)諧的窄帶光致發(fā)光發(fā)射特征，并可應(yīng)用于一系列的先進(jìn)設(shè)備，特別是μ- LED領(lǐng)域。與OLED和LC顯示器相比，它們?cè)诹炼?、顏色、最小像素尺寸和壽命方面具有?yōu)勢(shì)。

量子棒特別有趣，因?yàn)樗鼈兙哂衅窆獍l(fā)射，從而有望提高顯示設(shè)備的光學(xué)效率。早前有研究指出，當(dāng)將發(fā)射極偶極子沿桿長軸對(duì)齊到LED結(jié)構(gòu)中時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)40%的耦出效率，這遠(yuǎn)大于基于量子點(diǎn)的LED的典型耦出效率（<25%）。

量子棒的優(yōu)勢(shì)對(duì)于先進(jìn)的顯示應(yīng)用至關(guān)重要，例如由μ- LED組成的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

然而，高質(zhì)量的偏振光源需要在納米到微米尺度沿其長軸排列量子棒，而傳統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)難以可靠地生產(chǎn)。換句話說，以納米級(jí)精度可擴(kuò)展地生產(chǎn)量子棒二維陣列的方法非常關(guān)鍵。

研究人員馬克·巴特（Mark Bathe）表示：“量子棒面臨的挑戰(zhàn)之一是如何在納米尺度排列它們，使它們都指向同一個(gè)方向。當(dāng)它們都指向二維表面上的同一方向時(shí)，它們都具有與光相互作用并控制其偏振的相同特性。”

DNA折紙技術(shù)是利用DNA分子所具有的結(jié)構(gòu)特征和堿基互補(bǔ)配對(duì)原則折疊長鏈DNA的特定區(qū)域。它可以以亞納米精度在納米到微尺度編程納米材料的位置和方向。所以，將基于DNA折紙的納米材料集成到光子器件中是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)最有希望的途徑之一。

在研究中，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種超快速超聲介導(dǎo)和脫水輔助功能化方法，將密集的DNA鏈層與量子點(diǎn)和量子棒從原始的有機(jī)溶劑偶聯(lián)到水緩沖液，從而大大縮短了合成所需的時(shí)間，從原來的數(shù)天時(shí)間縮短到數(shù)分鐘。

團(tuán)隊(duì)指出，這一方法可應(yīng)用于具有各種尺寸、縱橫比和光譜的量子點(diǎn)和量子棒，如圖A所示。

量子點(diǎn)和量子棒具有較高的DNA密度，這使得它們?cè)诟鞣N鹽水緩沖液中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，并且具有出色的結(jié)合親和力和對(duì)DNA折紙結(jié)構(gòu)的保真度。

具體來說，所述方法首先用硫醇衍生的ssDNA和Na+在有機(jī)溶劑中孵育分散的量子點(diǎn)或量子棒，然后進(jìn)行超聲直到形成乳液。然后，加入1-丁醇使混合物瞬間脫水，令ssDNA凝聚在量子點(diǎn)和量子棒的表面，從而實(shí)現(xiàn)有效的偶聯(lián)。最后，加入水相緩沖液，對(duì)脫水輔助偶聯(lián)高密度表面DNA產(chǎn)生的量子點(diǎn)和量子棒進(jìn)行復(fù)水和回收，如圖B。

然后，用線框折紙模板制造密集的DNA功能化量子點(diǎn)/量子棒陣列。利用前人的研究，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了表面輔助大規(guī)模組裝方法，直接在固體襯底構(gòu)建二維折紙晶格，以模板量子點(diǎn)/量子棒二維陣列，并完全控制納米顆粒間距和方向，如圖C所示。

具體來說，具有量子點(diǎn)/量子棒結(jié)合懸垂的二維折紙首先在每個(gè)折紙邊緣使用匹配的橫向懸垂/空位，從而直接在云母表面組裝成二維晶格。然后，采用一價(jià)陽離子、熱退火和表面選擇懸垂來允許表面擴(kuò)散、誤差校正和適當(dāng)?shù)闹憘?cè)選擇，從而實(shí)現(xiàn)大的、連續(xù)的晶格顆粒。用高密度互補(bǔ)DNA鏈功能化的量子點(diǎn)/量子棒可以組裝到折紙晶格上，而方向和間距由折紙排列決定。

這個(gè)過程只需要數(shù)分鐘，比任何現(xiàn)有的將DNA附著到納米級(jí)粒子的方法都要快得多。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這可能是實(shí)現(xiàn)量子棒商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

巴特指出：“這種方法的獨(dú)特之處在于，它幾乎普遍適用于任何與納米顆粒表面有親和力的親水配體，使得它們能夠立即推到納米級(jí)顆粒的表面。通過利用這種方法，我們將制造時(shí)間從幾天顯著減少到幾分鐘?！?/p>

DNA鏈就像魔術(shù)貼一樣幫助量子棒粘在DNA折紙模板，從而形成一層覆蓋在硅酸鹽表面的薄膜。這種DNA薄膜首先是通過自組裝形成的，通過沿邊緣懸垂的DNA鏈將鄰近的DNA模板連接在一起。

相關(guān)論文：Ultrafast dense DNA functionalization of quantum dots and rods for scalable 2D array fabrication with nanoscale precision

https://paper.nweon.com/14663

現(xiàn)在，將所述研究轉(zhuǎn)化為商業(yè)設(shè)備是團(tuán)隊(duì)下一步的重點(diǎn)。同時(shí)，研究人員希望創(chuàng)造具有蝕刻圖案的晶圓級(jí)表面，從而允許他們將設(shè)計(jì)擴(kuò)展到量子棒的設(shè)備級(jí)排列，并用于一系列的應(yīng)用。

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