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A和B為多孔螺旋形樹脂模板（周期性排列）的掃描電鏡圖片，C和D為移除模板后激光誘導的晶體硅納米結(jié)構(gòu)圖。

  日前，康奈爾大學的高分子工程師制備了一種納米結(jié)構(gòu)模具，可以將液態(tài)硅轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N有機高分子材料。這是納米科學的一項突破性進展，使得制備具有良好性能的3-D單晶納米結(jié)構(gòu)成為可能。此項工作是在康奈爾大學UliWiesner教授領(lǐng)導下完成的。此實驗室之前一直致力于有機高分子新型材料的制備。通過合適的化學方法和有機高分子的自組裝，研究人員利用高分子的特殊性質(zhì)制作了此種模具，模具上點綴了很多精密的納米孔結(jié)構(gòu)。

  通常來說，在熔化溫度約為2350度時，熔化的非晶硅會破壞高分子模具，其降解溫度約為600度。但是康奈爾大學的研究人員通過與Micheal Thompson的合作，利用激光的超短熔化周期成功解決了這一問題。

  研究人員發(fā)現(xiàn)，高分子模具可以經(jīng)受住激光脈沖對硅的幾納秒加熱。在如此短的時間尺度下，硅可被加熱成液體，但是由于其熔化時間非常短，高分子沒有足夠的時間來氧化和分解，即通過此方法高分子模具可在高于分解點的溫度之上仍保持不變形。當模具被蝕刻掉后，研究人員發(fā)現(xiàn)硅可以很好地在模具上成型，即可以得到具有良好性能的單晶硅納米結(jié)構(gòu)。雖然目前還沒有制備成品，但是根據(jù)論文結(jié)果，實現(xiàn)完全是可能的。在一項2010年發(fā)表的研究成果中，Wiesner和他的同事們已使用一種氧化模具指出了形成單晶硅納米結(jié)構(gòu)的方法過程。

  大多數(shù)自組裝納米結(jié)構(gòu)都是非晶態(tài)或多晶體，即由一種或多種材料按序組裝所得。這種方法很難判斷結(jié)構(gòu)的性質(zhì)源于本身還是由材料的缺陷所致？單晶硅的發(fā)現(xiàn)帶來了一場電子革命，它是一種廣泛應(yīng)用于集成電路中的半導體結(jié)構(gòu)。將單晶材料制備成晶片的做法是真正理解了硅的半導體性質(zhì)。現(xiàn)在，利用納米技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)納米尺寸的精細刻蝕，例如在硅片上可低至10納米。但是諸如光刻（將高分子材料寫入一種蝕刻到硅的結(jié)構(gòu)中）的納米制造工藝很難應(yīng)用于3-D結(jié)構(gòu)。

  類似于硅的半導體材料并不能像高分子材料一樣自組裝進有序結(jié)構(gòu)中。在半導體中得到一種三維的單晶結(jié)構(gòu)，這一說法幾乎沒有聽說過。我們可以通過兩種方法制備單晶微納米結(jié)構(gòu)，一種是多重刻蝕，另一種是模具制造。Wiesner的團隊現(xiàn)在正致力于模具的制備。

  制備模具本身就是一種突破，Wiesner的團隊之前通過嵌段共聚物（即內(nèi)部分子具有特殊的結(jié)構(gòu)）自組裝高度有序的多孔納米材料。首先，使用Thompson實驗室的二氧化碳激光器將納米硅材料寫入硅片中，再把一層含有嵌段化合物的薄膜旋涂到晶片上，指導聚合物樹脂的組裝。通過用激光在薄膜上劃線使得嵌段化合物分解，其正面樹脂的抵抗作用可使反面的樹脂掉落從而形成多孔納米結(jié)構(gòu)，從而得到模具。

  Winesner說道：實驗結(jié)果已經(jīng)表明，我們可以使用含有類似于螺旋二十四面體（一種周期有序的立方網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）復雜結(jié)構(gòu)的有機模板，將其印在熔融態(tài)硅上，從而得到晶體硅。

  美國國家科學基金會（National Science Foundation）的Andy Lovinger說道：作為所有電子產(chǎn)品主力軍的硅，能將其制備成各種復雜的形狀，這是前所未有的。這項出色的工作表明，我們可以很好地利用高分子材料諸項獨特的設(shè)計屬性。節(jié)選自《科學之家》