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图1.利用 DNA 自组装制造的芯片集成 3D 纳米结构设备（左图）。DNA 晶体在指定的基底位置生长（右图显示了 5μm 垫上的约 1000 个晶体），然后矿化为二氧化硅，并用半导体材料进行体积模板化，然后连接电极（中图）。所得设备在暴露于光时会表现出电响应。使用这种自下而上的制造方法可以并行生长数千个这样的 3D 设备。图片来源：功能纳米材料中心

哥伦比亚工程大学的研究人员首次利用 DNA 帮助创建具有纳米级特征的 3D 电子操作设备。

“从二维到三维可以显著提高电子产品的密度和计算能力，”通讯作者、哥伦比亚工程大学化学工程、应用物理和材料科学教授、布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心软和生物纳米材料组负责人奥列格·甘 (Oleg Gang) 表示。

新的制造技术还可以为开发直接受自然智能启发的人工智能系统的持续努力做出贡献。

甘说：“模拟大脑自然三维结构的三维电子结构可能比现有的二维结构更有效地运行模拟大脑的人工智能系统。”研究人员于 3 月 28 日在《科学进展》杂志上详细介绍了他们的研究成果。

从蚀刻到折叠

传统电子产品依赖于平面电路。为了提高微芯片的功能，世界各地的研究人员正在尝试以三维方式构建微芯片。

然而，目前的电子制造技术本质上是自上而下的——一块材料被逐渐侵蚀，例如，用电子束，直到达到所需的结构，就像雕刻一块石头一样。这些方法在制造 3D 设备时遇到了问题，因为需要创建复杂的结构并以经济高效的方式进行。例如，它们在组装多层电路时面临挑战，这些电路必须正确堆叠。“在生产过程中的数百个步骤中，错误会不断积累，从性能和成本的角度来看，这些错误是令人望而却步的，”Gang 说。

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图2.超晶格的定向生长和界面缺陷。

( A ) 具有 X 或 X′ 链的单功能化表面导致超晶格在 [111] 方向取向，作为从初始 (111) 平面沿 {100} 方向的互补折纸组装。从左到右，SEM 图像，自上而下和 52°，然后是纳米晶格的横截面视图，显示空隙和折纸阵列的聚结。( B ) 具有 X 和 X′ 链的表面双功能化，导致 [100] 取向域。从左到右，SEM 图像，自上而下和 45°，然后是距界面前 1 μm 内的纳米晶格空隙和缺陷的横截面视图。( C ) 表面生长超晶格的硬 X 射线断层扫描，(100) 取向晶粒的纳米结构的横截面视图。超晶格内可见多个域，这由晶格几何中的不连续性证明，并且通常伴有空隙以适应晶格失配。

构建 3D 系统的一种概念上不同的方法是自下而上，其中许多组件自组装成复杂的结构。现在，哥伦比亚工程学院的研究人员开发了一种新的受生物启发的自下而上 3D 电子产品自组装方法。新技术背后的关键是DNA 链可以折叠成形状的方式——所谓的折纸。这些构建块称为框架，然后用于以纳米级精度组装大型 3D 结构，称为框架。

DNA 由四种不同的分子链组成，分别以字母 A、T、C 和 G 表示。这些分子以高度特定的方式相互结合——A 到 T，C 到 G。通过设计具有正确序列的多个分子，研究人员可以让长链 DNA 折叠成二维或三维形状。然后，将 DNA 片段钉在这些链上，使折叠的设计固定到位。

构建原型

在这项新研究中，该研究的第一作者、布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心的研究员 Aaron Michelson（曾是 Gang 团队的博士生）与 Gang 及其同事一起，将一排排金方块沉积在表面上，他们可以将短片段 DNA 附着在上面。这些分子充当锚，他们可以将八面钻石状八面体 DNA 框架固定在上面，这些框架在这些特定的表面位置自组装成 3D 框架。

Gang 说道：“这些带有锚定 DNA 链的金阵列能够促进 3D DNA 支架在指定区域按照所需的模式和方向生长，这使我们能够将 DNA 建立并整合到电子晶片上。”

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图3.DNA 超晶格在表面上的区域选择性生长。

( A ) 在用 DNA 链（绿色和红色）功能化的金垫（黄色）上 DNA 超晶格的选择性区域生长示意图。金图案化的硅基底使用金-硫醇化学方法固定具有编码互补相互作用的 DNA 链，然后将目标折纸框架杂交到表面和晶格组件的特定区域。在图案化的硅基底区域上进行溶胶-凝胶合成，用于形成框架的二氧化硅模板化。( B ) 顶部，DNA 功能化金线超晶格外延生长的光学显微镜图像。底部，来自上图的成核频率图，计数每列中的晶体数量。图上标注了两个 60 μm 宽的窗口，对应于耗尽区。比例尺，50 μm。( C ) 在 10 mm×10 mm 的金垫图案上生长的低倍 DNA 超晶格晶体。比例尺，500 μm。 ( D ) 硅片上 5 μm×5 μm 金片阵列的光学显微镜图像，其中自组装 DNA 超晶格模板化到二氧化硅，由单晶域和多晶域组成。( E ) 在垫片（红色虚线区域）上生长的纳米晶格（绿色虚线区域内）的放大视图。

研究人员与明尼苏达大学的 Vald Pribiag 教授团队合作，接下来用氧化硅覆盖这些 DNA 支架，用半导体氧化锡包裹它们，并将电极连接到每个结构上。结果就是，光传感器在光照时会做出电响应。

“我们已经证明，我们不仅可以从 DNA 中创建 3D 结构，还可以将它们集成到微芯片中，作为电子设备制造工作流程的一部分，”Gang 说。“我们可以以可扩展的方式将数千个这样的结构放置在硅片上的特定位置。这表明我们可以彻底改变制造复杂 3D 电子设备的方式。”

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图4.具有集成3D SnO x超晶格的器件的光电流响应。

( A ) 使用为电流通路添加假彩色测量的晶格的 SEM 图像。比例尺，30 μm。( B ) 单独测试和串联超晶格的电流-电压曲线。( C ) 在黑暗（蓝色）和紫外光（340 nm）照明（橙色）下测量纳米晶格器件三 D3 的电流-电压曲线。比例尺，10 μm。( D ) 在恒定电压偏置（0.2 V）下每 5 秒打开/关闭 D3 上的光照，测量电流与时间的关系。测得电流的初始漂移在 300 μA 左右达到饱和。插图显示了响应为 50 μA 的稳态行为的放大区域。

“长期以来，我们一直在研究哪些现象可能有助于制造自组装电子设备，”Gang 说道。“现在我们终于可以展示这些未来主义的想法，使用这些自下而上的制造工艺制造出可操作的设备，这真是令人兴奋。”

未来，Gang 和他的同事们希望利用他们的新方法，使用多种材料制造更复杂的电子设备。“下一个梦想是制造 3D 电路，”他说。

Thorlabs Inc(索雷博)