科學(xué)家使用“DNA折紙”創(chuàng)建用于先進半導(dǎo)體的金剛石晶格

蝴蝶翅膀的閃亮顏色并不是來自顏料，而是由光子晶體引起的。這些晶體的周期性納米結(jié)構(gòu)允許特定波長的光通過，同時反射其他波長的光。這使得實際上透明的翅膀鱗片顯得如此艷麗。自從理論學(xué)家在35年前預(yù)測光子晶體以來，制造用于可見光波長的人工光子晶體一直是研究團隊的重大挑戰(zhàn)和動力?！肮庾泳w有多種應(yīng)用。它們已被用于開發(fā)更高效的太陽能電池、創(chuàng)新的光波導(dǎo)和量子通信材料。然而，它們的制造過程非常繁瑣，”物理學(xué)博士后格雷戈爾·波斯尼亞克（Gregor Posnjak）解釋道。他是LMU教授蒂姆·利德爾（Tim Liedl）研究小組的一名博士后，該團隊的工作得到了“e-conversion”卓越集群和歐洲研究委員會的資助。利用DNA納米技術(shù)，該團隊開發(fā)了一種制造光子晶體的新方法。他們的研究成果現(xiàn)已發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

由DNA鏈構(gòu)成的金剛石結(jié)構(gòu)

與光刻技術(shù)相比，LMU團隊使用了一種稱為DNA折紙的方法來設(shè)計和合成構(gòu)建塊，這些構(gòu)建塊隨后自組裝成特定的晶格結(jié)構(gòu)?！袄碚撋显缫阎?，金剛石晶格對于光子晶體具有最佳幾何結(jié)構(gòu)。在金剛石中，每個碳原子與四個其他碳原子結(jié)合。我們的挑戰(zhàn)在于將金剛石晶體的結(jié)構(gòu)放大500倍，使構(gòu)建塊之間的間距與光的波長相對應(yīng)，”蒂姆·利德爾解釋道。“我們通過DNA折紙將晶格的周期性增加到170納米，”波斯尼亞克說道。

完美的分子折疊技術(shù)

聽起來像魔術(shù)的東西實際上是利德爾小組的專長，該團隊是世界領(lǐng)先的DNA折紙和自組裝研究團隊之一。為此，科學(xué)家們使用一條長的環(huán)形DNA鏈（由大約8000個堿基組成）和一組200個短DNA夾子?！昂笳呖刂浦^長DNA鏈的折疊，幾乎可以形成任何形狀——類似于折紙大師將紙張折成復(fù)雜的物體。因此，夾子決定了DNA折紙對象如何組合成所需的金剛石晶格，”LMU的博士后研究員說道。DNA折紙構(gòu)建塊形成大約十微米大小的晶體，這些晶體被沉積在基板上，然后交給來自慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）沃爾特·肖特基研究所的合作研究小組。由伊恩·夏普教授（同樣由“e-conversion”卓越集群資助）領(lǐng)導(dǎo)的團隊能夠在DNA折紙晶體的所有表面上沉積單原子層的二氧化鈦?！癉NA折紙金剛石晶格充當二氧化鈦的支架，二氧化鈦由于其高折射率，決定了晶格的光子特性。涂層后，我們的光子晶體不允許約300納米波長的紫外光通過，而是反射它，”波斯尼亞克解釋道。反射光的波長可以通過調(diào)整二氧化鈦層的厚度來控制。

DNA折紙可能促進光子學(xué)的發(fā)展

對于在紅外范圍內(nèi)工作的光子晶體，經(jīng)典的光刻技術(shù)是適用的，但過程繁瑣且昂貴。在可見光和紫外光波長范圍內(nèi)，光刻方法迄今未取得成功?！耙虼耍褂肈NA折紙在水溶液中自組裝的相對簡單的制造過程，為生產(chǎn)所需尺寸的結(jié)構(gòu)提供了一種強大的替代方法，具有成本效益且可大量生產(chǎn)，”蒂姆·利德爾教授說道。他確信，這種獨特的具有大孔且化學(xué)可尋址的結(jié)構(gòu)將激發(fā)進一步的研究——例如在能源收集和存儲領(lǐng)域。在同一期的《科學(xué)》雜志中，由亞利桑那州立大學(xué)和TUM的彼得·蘇爾茨教授領(lǐng)導(dǎo)的合作研究提出了一個理論框架，用于設(shè)計多樣的晶體晶格，并通過實驗展示了利用DNA折紙構(gòu)建塊形成的鈣鈦礦晶格，該晶格也可能用于光子應(yīng)用。