科學家使用“DNA折紙”創建用于先進半導體的金剛石晶格

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構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。自從理論學家在35年前預測光子晶體以來，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和動力。“光子晶體有多種應用。它們已被用于開發更高效的太陽能電池、創新的光波導和量子通信材料。然而，它們的制造過程非常繁瑣，”物理學博士后格雷戈爾·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，該團隊開發了一種制造光子晶體的新方法。他們的研究成果現已發表在《科學》雜志上。

由DNA鏈構成的金剛石結構

與光刻技術相比，LMU團隊使用了一種稱為DNA折紙的方法來設計和合成構建塊，這些構建塊隨后自組裝成特定的晶格結構。“理論上早已知道，金剛石晶格對于光子晶體具有最佳幾何結構。在金剛石中，每個碳原子與四個其他碳原子結合。我們的挑戰在于將金剛石晶體的結構放大500倍，使構建塊之間的間距與光的波長相對應，”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

聽起來像魔術的東西實際上是利德爾小組的專長，該團隊是世界領先的DNA折紙和自組裝研究團隊之一。為此，科學家們使用一條長的環形DNA鏈（由大約8000個堿基組成）和一組200個短DNA夾子。“后者控制著較長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大學（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）領導的團隊能夠在DNA折紙晶體的所有表面上沉積單原子層的二氧化鈦。“DNA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整二氧化鈦層的厚度來控制。

DNA折紙可能促進光子學的發展

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