通过 DNA 可编程组装可扩展制造芯片集成 3D 纳米结构电子器件：从基础研究到应用突破

《SCIENCE ADVANCES》：Scalable fabrication of Chip-integrated 3D-nanostructured electronic devices via DNA-programmable assembly

为解决传统自上而下制造方法在亚 50nm 特征上的局限，以及 DNA 自组装在特定表面位置选择性生长和集成的难题，研究人员开展了结合自下而上和自上而下方法选择性生长 3D DNA 超晶格的研究。结果成功制备出具有光电流响应的自组装 3D 纳米结构电子器件，为纳米制造领域带来新突破。

　　在科技飞速发展的今天，电子器件的微型化和高性能化成为了研究的热点。传统自上而下的制造方法，在制备亚 50nm 特征的器件时遇到了瓶颈，难以满足先进的三维（3D）架构需求，如电子器件、量子信息系统、光学超材料和神经形态计算等领域。而自下而上的纳米技术方法，尤其是基于 DNA 可编程相互作用的自组装技术，虽能在纳米尺度上实现结构控制和材料放置，但在与传统光刻制造集成以及实现宏观尺度控制方面存在困难。比如，DNA 超晶格通常在溶液中生长，后续滴涂到基底上时，晶体的取向和位置难以精确控制，无法满足器件制造的高精度要求，这极大地限制了其在实际功能器件中的应用。

为了解决这些问题，研究人员开展了一项具有创新性的研究。他们将自下而上和自上而下的方法相结合，实现了在金微阵列上选择性生长 3D DNA 超晶格，进而制备出具有功能的 3D 纳米结构电子器件。这项研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为纳米制造领域开辟了新的道路。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，利用光刻技术在硅基底上制备金图案，通过巯基修饰的单链 DNA（ssDNA）将 DNA 框架锚定在金图案表面，实现 DNA 超晶格的选择性生长。接着，运用溶胶 - 凝胶合成法将 DNA 框架转变为二氧化硅，再通过气相渗透（VPI）技术在二氧化硅模板中均匀掺入氧化锡（SnO_x）半导体。之后，使用聚焦离子束（FIB）、扫描电子显微镜（SEM）、扫描硬 X 射线断层扫描等技术对结构和化学组成进行表征。最后，沉积金电极，完成器件制备，并对器件进行电学和光电流响应测试。

研究结果如下：

• DNA 超晶格的选择性生长：通过在金图案化表面种植巯基化的 ssDNA 锚，成功实现了在预定位置定向生长 3D 自组装 DNA 材料。研究发现，控制金垫间距、大小以及表面修饰的 DNA 类型，可以调控 DNA 超晶格的成核、生长和取向。例如，当金垫间距约为 50μm 时，能有效减少补丁间的杂散成核；表面仅修饰一种结合链（X 或 X′）时，晶体沿（111）方向生长；同时修饰 X 和 X′链时，晶体沿 [100] 方向生长。
• 器件的制备与表征：将表面生长的纳米晶格转化为二氧化硅，再渗入 SnO_x，并沉积金电极，制备出基于 3D DNA 框架的器件。通过多种表征手段证实，SnO_x均匀地涂覆在纳米晶格内部的二氧化硅表面，且晶体尺寸约为 2nm。
• 器件的电学性能与光电流响应：研究人员测量了单个 SnO_x超晶格器件以及多个器件串联的电流 - 电压（I - V）曲线，发现 I - V 曲线在正负电压偏置下存在不对称性，且器件的传输行为符合普尔 - 弗伦克尔发射（PF）模型。当器件暴露在紫外光（340nm）下时，呈现出可重复的稳态 I - V 响应，电导率增加；光关闭后，恢复到初始高电阻状态。在恒定偏压 0.2V 下跟踪光电流的时间行为，发现初始阶段电导率增加，随后达到约 300μA 的稳态，光响应 / 恢复为 50μA。

研究结论和讨论部分指出，该研究证明了通过 DNA 可编程自组装在硅基底上创建 3D 纳米结构器件的可行性。此方法能够在大面积上制备 3D 器件，且不受限于硅表面，可在多种表面构建。然而，研究也发现了一些问题，如晶格在图案化表面组装时存在缺陷，包括固体界面前几层的晶格缺陷和单个金垫内晶格以多晶域而非单晶形式组装；纳米级特征的功能性无机涂层（SnO_x）存在原子级缺陷，影响器件性能。未来，优化热退火和蚀刻程序，以及进一步开发在 XY 平面定向晶格的方法，将有助于提高器件性能和简化制造工艺。总体而言，该研究成果为将自组装 DNA 纳米结构作为材料模板应用于气体传感器、超级电容器和光子晶体等多种器件奠定了基础，推动了 DNA 自组装技术在纳米制造领域的发展。