还在愁芯片3D纳米器件咋造？DNA组装带来新希望！

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一、研究背景：芯片集成3D纳米结构电子器件制造的困境与突破需求

大家知道吗？在现代科技领域，芯片集成3D纳米结构电子器件的制造至关重要。传统的自上而下的制造方法，虽然是现代技术的基础，但对于小于50纳米的特征制造却困难重重，这严重阻碍了电子器件、量子信息系统等基于3D架构的先进概念的实现。

为了突破这些限制，科学家们把目光投向了自下而上的纳米技术方法，其中利用DNA可编程组装来构建纳米材料结构备受关注。DNA可编程组装就像是给纳米材料搭建了一个精准的“脚手架”，能让纳米组件按照预定的方式组合。不过，之前在特定表面位置选择性生长DNA超晶格，并将其与传统纳米制造技术整合，一直是个难题。今天，我们就来了解一种新的可扩展纳米制造技术，看看它是怎么解决这些问题的。

二、实验过程：3DDNA超晶格的制备与器件构建

首先，科学家们要在硅衬底上制作金图案阵列，就像在一块大板子上画好一个个小格子。他们用光刻技术在硅片上制作出各种尺寸的金方块图案，这些图案的面积和间距都有讲究。

接着，通过硫醇修饰的单链DNA（ssDNA）将DNA框架固定在金图案表面。这一步就好比在小格子上安装了特殊的“挂钩”，让DNA框架能够精准地挂在特定位置。之后，把DNA框架和表面密封起来，进行热退火处理，DNA框架就会在表面自组装成超晶格。

形成DNA超晶格后，要把它转化为固态。科学家们通过溶胶-凝胶合成法，将其转化为二氧化硅，然后利用气相渗透（VPI）技术，把氧化锡（SnOx）半导体均匀地填充到纳米晶格中。这样，纳米晶格就具备了对光敏感的特性。

最后，在经过处理的纳米晶格上沉积金电极，一个基于自组装超晶格的3D纳米结构电子器件就制作完成啦。

三、实验结果：DNA超晶格的生长、结构与器件性能

在研究DNA超晶格的生长过程中，科学家们发现，通过控制金图案的间距和大小，可以有效减少杂散成核现象。当金图案间距约为50μm，尺寸在1-5μm时，能在表面形成更明显的单晶。

而且，通过选择表面接枝的DNA类型，可以控制晶体的生长取向。比如，只接一种互补的DNA链（X或X′），晶体就会沿（111）方向生长；两种都接，则会沿[100]方向生长。

从结构上看，通过扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束（FIB）和扫描硬X射线断层扫描等技术观察发现，晶体靠近表面的区域比远离界面的区域更无序，这可能是因为硫醇化ssDNA链与金垫的附着存在一定的不均匀性。

在器件性能方面，对由三个SnOx超晶格串联组成的器件进行电流-电压（I−V）特性测试，发现其I−V曲线在正负电压偏置下存在不对称性。在负电压偏置下，电流明显低于正电压偏置。而且，该器件在受到紫外线（340nm）照射时，会产生光电流响应，光照时导电性增强，光关闭后又恢复到初始的高电阻状态。

四、研究讨论：技术优势、面临挑战与应用前景

这种结合DNA可编程组装和无机模板化的技术，为制造3D纳米结构电子器件提供了一种全新的方法。它能够实现大面积的选择性生长，还可以通过控制DNA框架的组装和表面图案化，精确地构建纳米结构。

不过，目前这项技术也面临一些挑战。比如，在晶格组装过程中，会出现一些缺陷，像固体界面的前几层晶格存在缺陷，单个金垫内的晶格以多晶形式而非单晶形式组装。而且，纳米级功能无机涂层（SnOx）的原子级缺陷也会影响器件性能。

尽管存在挑战，但该技术的应用前景十分广阔。由于SnOx超晶格具有大的表面积与体积比、高并行合成能力以及精确的底物定位能力，未来有望将自组装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众多领域。

五、一起来做做题吧

参考文献：

Aaron Michelson et al. Scalable fabrication of Chip-integrated 3D-nanostructured electronic devices via DNA-programmable assembly. Sci. Adv.11, eadt5620(2025).