科学家使用“DNA折纸”创建用于先进半导体的金刚石晶格

蝴蝶翅膀的闪亮颜色并不是来自颜料，而是由光子晶体引起的。这些晶体的周期性纳米结构允许特定波长的光通过，同时反射其他波长的光。这使得实际上透明的翅膀鳞片显得如此艳丽。自从理论学家在35年前预测光子晶体以来，制造用于可见光波长的人工光子晶体一直是研究团队的重大挑战和动力。“光子晶体有多种应用。它们已被用于开发更高效的太阳能电池、创新的光波导和量子通信材料。然而，它们的制造过程非常繁琐，”物理学博士后格雷戈尔·波斯尼亚克（Gregor Posnjak）解释道。他是LMU教授蒂姆·利德尔（Tim Liedl）研究小组的一名博士后，该团队的工作得到了“e-conversion”卓越集群和欧洲研究委员会的资助。利用DNA纳米技术，该团队开发了一种制造光子晶体的新方法。他们的研究成果现已发表在《科学》杂志上。

由DNA链构成的金刚石结构

与光刻技术相比，LMU团队使用了一种称为DNA折纸的方法来设计和合成构建块，这些构建块随后自组装成特定的晶格结构。“理论上早已知道，金刚石晶格对于光子晶体具有最佳几何结构。在金刚石中，每个碳原子与四个其他碳原子结合。我们的挑战在于将金刚石晶体的结构放大500倍，使构建块之间的间距与光的波长相对应，”蒂姆·利德尔解释道。“我们通过DNA折纸将晶格的周期性增加到170纳米，”波斯尼亚克说道。

完美的分子折叠技术

听起来像魔术的东西实际上是利德尔小组的专长，该团队是世界领先的DNA折纸和自组装研究团队之一。为此，科学家们使用一条长的环形DNA链（由大约8000个碱基组成）和一组200个短DNA夹子。“后者控制着较长DNA链的折叠，几乎可以形成任何形状——类似于折纸大师将纸张折成复杂的物体。因此，夹子决定了DNA折纸对象如何组合成所需的金刚石晶格，”LMU的博士后研究员说道。DNA折纸构建块形成大约十微米大小的晶体，这些晶体被沉积在基板上，然后交给来自慕尼黑工业大学（TUM）沃尔特·肖特基研究所的合作研究小组。由伊恩·夏普教授（同样由“e-conversion”卓越集群资助）领导的团队能够在DNA折纸晶体的所有表面上沉积单原子层的二氧化钛。“DNA折纸金刚石晶格充当二氧化钛的支架，二氧化钛由于其高折射率，决定了晶格的光子特性。涂层后，我们的光子晶体不允许约300纳米波长的紫外光通过，而是反射它，”波斯尼亚克解释道。反射光的波长可以通过调整二氧化钛层的厚度来控制。

DNA折纸可能促进光子学的发展

对于在红外范围内工作的光子晶体，经典的光刻技术是适用的，但过程繁琐且昂贵。在可见光和紫外光波长范围内，光刻方法迄今未取得成功。“因此，使用DNA折纸在水溶液中自组装的相对简单的制造过程，为生产所需尺寸的结构提供了一种强大的替代方法，具有成本效益且可大量生产，”蒂姆·利德尔教授说道。他确信，这种独特的具有大孔且化学可寻址的结构将激发进一步的研究——例如在能源收集和存储领域。在同一期的《科学》杂志中，由亚利桑那州立大学和TUM的彼得·苏尔茨教授领导的合作研究提出了一个理论框架，用于设计多样的晶体晶格，并通过实验展示了利用DNA折纸构建块形成的钙钛矿晶格，该晶格也可能用于光子应用。