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朱志教授与合作团队在亚10纳米周期低缺陷DNA组装阵列研究取得新进展
发布时间:2022年05月18日 来源:化学化工学院

近日,化学化工学院朱志教授与北京大学电子学院孙伟研究员合作,在超小周期DNA阵列的低缺陷组装方面取得新进展,相关成果以“Suppressing high-dimensional crystallographic defects for ultra-scaled DNA arrays”为题发表在Nature Communications(DOI:10.1038/s41467-022-30441-1)。

高分辨三维纳米加工技术是先进节点半导体器件发展的基石,特别是面向未来亚1纳米器件节点的需求,需要批量制备具有亚10纳米特征周期的低缺陷模板。自组装技术,特别是核酸自组装,具有突破极紫外光刻分辨率极限的潜力,并已初步应用于制备10-20纳米特征周期的碳基、硅基器件。但在亚10纳米特征周期下,熵致高维晶格缺陷(如线位错或者晶界)大量出现,制约了自组装结构的完整度和正确性。

本研究以周期性DNA阵列结构作为模型体系,对DNA结构的高维缺陷进行了研究。研究发现,随着序列周期的不断缩减,高维缺陷率显著上升。当序列周期为8.2 nm时,缺陷率高达70%;当序列周期为15.3 nm时,缺陷率显著降低至1.7%。缺陷率与DNA阵列的序列周期成负相关,而与DNA阵列的碱基设计、形貌设计无关。研究团队认为,这与DNA单链的缺陷生长动力学密切相关。随着周期的减小,大量自由摆动的DNA单链更容易嵌入到相邻周期的晶格,进而阻碍DNA阵列的正确组装,形成高维晶格缺陷。对组装动态过程的分析表明,高维缺陷在成核时期已经出现,并且随着自组装过程不断积累。为了抑制亚10纳米周期的高维晶格缺陷,该研究提出不对称周期策略,通过在相邻的重复单元引入正交核酸序列,在不改变形貌周期(7.5 nm)的基础上增加结构单元的序列周期(15 nm)。结果表明,7.5 nm周期的DNA阵列,其缺陷率可以比传统设计策略降低两个数量级以上(低于1%),并且结构的形貌周期远优于下一代极紫外光刻的极限特征尺寸。以低缺陷的核酸结构作为模板,可实现亚20纳米以内、高密度的三维金属线条阵列(如钯、镍)的构筑。

研究工作在朱志教授和孙伟研究员的共同指导下完成,“2011计划”2021届博士生陈雅鸿(现为北京大学博雅博士后)为论文第一作者。该研究得到国家重点研发计划(2021YFF1200300、2020YFA0714703、2021YFA0909400)、国家自然科学基金(21991134、21875003、T2125001、21974113、21735004)、中央高校基本科研基金(20720210001)等资助。

论文链接:http://www.nature.com/articles/s41467-022-30441-1

(化学化工学院)


【责任编辑:谢晨馨】