一种基于DNA纳米结构的金属纳米电路图案的制备方法与流程

本发明涉及纳米制造领域，具体涉及一种基于dna纳米结构的金属纳米电路图案的制备方法。

背景技术：

集成电路(integratedcircuit，简称ic)是20世纪60年代初期发展起来的一种新型半导体器件。在电子学上，集成电路技术实际上就是一种电路小型化技术，它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。目前，以数字化和网络化为特征的信息技术正渗透和改造着各产业和行业，深刻改变着人类生产生活方式以及经济、社会、政治、文化各领域。信息技术根源于集成电路技术的巨大发展，集成电路将信息获取、传递、处理、存储、交换等功能集成于芯片，芯片可低成本大批量生产，且功耗低体积小，迅速成为各产业、国防的技术基础。近些年来，伴随物理、材料和技术成果集成电路技术实现各阶段的飞速发展。包括氧化、扩散、薄膜生长和光刻刻蚀等在内的平面技术发明是推动集成电路进一步发展的关键。其中最重要的是光刻技术的引入。光刻是一种精密表面加工技术。1957年首次引入到半导体工艺技术，将光刻技术和二氧化硅氧化掩蔽巧妙结合起来，实现精细晶体管和集成电路图形结构。这种结构使各元件连接不必再用焊接，而用真空蒸发金属代替，用光刻技术刻出电路完成元件互连。集成电路上器件特征尺寸的缩小主要依赖光刻技术的改进与发展。然而，受光学衍射极限的限制，光刻的尺寸不能无限缩小。当集成电路元件的尺寸小到100nm以下后，应用光刻技术就变得越来越复杂，而且成本也越来越高。

为了满足集成电路微小化不断增长的市场需求，很多新型光刻技术应运而生，主要包括x射线刻蚀技术(x-raylithography)，远紫外刻蚀技术(extremeultravioletlithography)，电子束或离子束刻蚀技术(ion-orelectron-beamlithography)。而对于所有这些方法处理程序复杂而条件严苛，所需仪器体积庞大且价值贵重，没有从根本上突破衍射极限的限制。随着集成电路集成度的进一步提高，集成的器件尺寸进一步缩小，以上这些基于“自上而下”的光刻工艺已经快接近物理极限，器件无法进一步缩小，需寻找新工艺方法和途径，包括新一代的替代光刻工艺途径。

基于分子自组装的“自下而上”的纳米制造技术，作为一种全新的思路，有望在将来取代目前的纳米刻蚀技术。特别是拥有强大纳米级别自组装能力的dna纳米技术，是现在被认为最有希望的纳米加工技术，通过dna碱基的互补配对杂交，已经在创造设计纳米级物体方面取得成功。一大批具有多样空间构型的纳米结构以及运动可控的纳米机器很快涌现出来。相对于其他dna纳米技术，dna折纸技术几乎已经能够合成任意形状、具有纳米可寻址性的二维、三维结构。为了发展下一代刻蚀技术，研究者们试图用dna折纸作为可寻址金属纳米图案的模板，他们或者在dna折纸上组装金属纳米颗粒或者原位金属化，但都没办法满足纳米刻蚀的要求。原位金属化缺乏纳米级别的点特异性，常常将整个dna折纸金属化，破坏了dna折纸的纳米可寻址性，而纳米级别的点特异性又是纳米刻蚀技术的核心。研究者们还通过在dna折纸模板上吸附金属种子的方法来提高金属化的选择特异性，但这仍然存在问题，首先金属种子吸附的浓度是个问题，另外在种子上进一步金属生长可能会破坏原来的纳米图案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于dna纳米结构的金属纳米电路图案的制备方法，从而解决现有技术中当集成电路元件的尺寸小到100nm以下后，应用光刻技术就变得越来越复杂，而且成本也越来越高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

提供一种基于dna纳米结构的金属纳米电路图案的制备方法，所述方法包括：以固定在表面的dna折纸结构为模板，通过在所述模板上引入人为缺陷，然后对该引入人为缺陷的模板进行选择性金属化，从而构建出一种基于dna纳米结构的金属纳米电路图案。

根据本发明提供的方法实现了具有纳米级分辨率、位置特异性高的选择性金属化。

此处的“位置特异性高”指根据本发明的方案可以实现在大约100纳米大小的dna折纸上的任意位置的金属化，该金属化的位置特异性很高。

所述dna折纸结构是由一条或多条碱基数在500以上的长链与多条碱基数在100以下的不同序列的短链通过退火杂交形成的二维平面或三维立体的dna纳米结构。应当理解，该长链与短链二者数量之间的比例根据设计的dna折纸结构大小而定。

所述长链包括人工合成长链、m13长链或λ链。

所述表面由以下材料：无机矿物晶体、硅片、玻璃、树脂或金属中的一种制成。

在所述模板上引入人为缺陷是延长或去掉部分指定位置的短链。

该制备方法包括在引入人为缺陷时，通过改变延长或去掉部分短链的位置设计选自点、线、面中的任意一种形式的任意形状的图形，以提供不同的金属纳米电路图案。

所述延长部分指定位置的订书钉链包括以下两种方式：a.通过dna合成公司对所述短链进行从头合成；b.采用末端转移酶对所述短链进行延长。

所述选择性金属化通过对金属离子的盐的氧化还原反应实现，所述金属包括：铜、银、金中的一种，也可以是其他贵金属。

更具体地，所述选择性金属化通过对位于dna折纸结构上人为缺陷位置处的铜、银、金离子的盐的氧化还原反应实现。

所述铜、银、金离子的盐包括卤化盐、硫酸盐、硝酸盐、或乙酸盐等。

所述选择性金属化所使用的还原剂包括：抗坏血酸、氢化硼、氢化硼的盐、通式为l:bh3的路易斯碱:硼烷络合物(其中l可以为胺、醚、膦或硫化物)、肼及衍生物、羟胺及衍生物、次磷酸盐、甲酸盐和连二亚硫酸盐。

根据本发明所提供的方法，选择性金属化的反应原理是：金属离子在dna折纸缺陷位置的浓度较其他位置相对较高，因此，在有还原剂时，在缺陷位置优先发生还原反应，最终形成非常好的位置特异的选择性金属化。

本发明所述的dna折纸(dnaorigami)，是dna自组装领域的一个重大革新，该方法采用“一锅”的策略，设计上百条短的dna单链(称为订书钉链)，把它们和一条上千碱基的长dna单链(称为脚手架链)在一个试管里面混合，使脚手架链和订书钉链共同折叠出所需要的二维或三维结构。该结构空间上的分辨率约为6nm。

本发明所述的在dna折纸上引入的人为“缺陷”，方法是延长或去掉部分特殊位置的订书钉链。具体来说，某些位置的订书钉链从dna折纸的一面延长出一定数量碱基，延长出来的部分为dna单链，从平面dna折纸的表面伸出，所有这些伸出的单链dna构成具有一定图案的“突出型缺陷”。延长订书钉链的方法有两种，一种是直接在原始的订书钉链上设计好延长序列，然后交给dna合成公司进行从头合成，这种方法的优点是延长部分的序列是已知的，缺点是比较费时，且成本较高；另一种简单廉价的延长方法，是用末端转移酶对特定位置的订书钉链进行延长，通过控制反应的时间和浓度，可以控制订书钉链延长的长度，但不是那么精确。与延长订书钉链来引入“突出型缺陷”的方法相反，去掉某些位置的订书钉链可引入“空缺型缺陷”，这是因为去掉订书钉链后与其互补的脚手架链部分可以单链的形式在双链密排的dna折纸表面形成空缺，所有这些单链部分构成有一定图案的“缺陷”。

本发明所述的固定于表面的dna折纸，所述的表面包括无机矿物晶体、硅片、玻璃等。重点是需要保持表面的平整度、洁净度与亲水性。以云母片为例，每次制样时用新揭的云母片。以硅片为例，在使用前需要进行清洗，9ml浓硫酸与3ml双氧水混合，将切好的硅片浸泡其中，30min后用大量自来水冲洗，之后再用milliq水冲洗3次，氮气吹干。之后用等离子清洗仪清洗2min，提高硅片的亲水性。

应该理解，本发明提供的金属化的方法具有普适性。在dna折纸模板方面，所有形状的dna折纸均可用来做金属化的模板；在金属化图案方面，可通过改变延长或去掉订书钉链的位置，设计各种点、线、面图形；在金属的类型方面，包括铜、银、金，其它贵金属亦可以实现。

为了克服现有技术的缺陷，本发明通过在dna折纸特定位点引入缺陷，实现了特定位点金属化，同时保留了dna折纸其余位点的定位能力，根据本发明提供的方法突破了传统思维模式，是一种相对现有技术均具有创造性的技术手段。

结果表明，本发明提供的是一种简单快速有效的，利用dna折纸可精确定位的特点，可得到一系列零维、一维及二维线宽仅为几个纳米的金属纳米图案的方法。本发明中主要使用的dna折纸具有良好的生物相容性，其他所需化学、生物材料也均无人体毒害性。本发明所需试剂药品以及仪器设备相对廉价便携，易于标准化、商业化及大量推广。因此本发明为实现以“自下而上”的自组装手段构建纳米电路、突破传统光刻技术极限提供了一种新的思路及技术支撑。

附图说明

图1是实施例1中以延长订书钉链的方法在dna折纸上引入“七点”图形缺陷，进行高位置特异性的铜金属化的原子力显微镜(afm)结果；

图2是实施例2中以延长订书钉链的方法在dna折纸上引入“八点”图形缺陷，这些图形缺陷分别由不同根数的伸出短链构成，对其进行高位置特异性铜金属化的原子力显微镜(afm)结果；

图3是实施例3中在引入“数字8”缺陷的dna折纸上进行不同浓度的铜金属化的afm结果；

图4是实施例4中以延长订书钉链的方法在dna折纸上引入一系列缺陷图形(包括“数字0-9”，字母“d，n，a，c，u”，“小的数字8”，“数字88”)，从而在dna折纸上进行高位置特异性铜金属化的afm结果；

图5是实施例5中用末端转移酶的方法分别将三角形dna折纸的一边所有订书钉链以及整个三角折纸的所有订书钉链进行延长，引入缺陷，进而分别对其进行铜金属化的扫描电镜(sem)和透射电镜(tem)表征；

图6是实施例6中以去掉dna折纸的部分订书钉链露出长链m13对应的互补部分所形成的“空缺”为缺陷，在dna折纸上进行高位置特异性cu金属化的afm结果；

图7a是实施例7中以延长订书钉链的方法在dna折纸上引入“数字8”图案缺陷的dna折纸上进行银金属化的afm结果；

图7b是实施例8中以延长订书钉链的方法在dna折纸上引入“数字8”图案缺陷的dna折纸上进行金金属化的afm结果。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

实施例1：以延长订书钉链的方法，在dna折纸上引入“七点”缺陷图案，从而进行无需种子、具有纳米级别分辨率的选择性铜金属化

引入缺陷的dna折纸的制备：所有需要的订书钉链(包括5’端延长部分单链dna作为缺陷的订书钉链与没有延长的普通订书钉链)与m13长链以10：1的比例混合，在1×tae-mg²⁺缓冲液(tris,40mm；aceticacid,20mm；edta,2mm；andmagnesiumacetate,12.5mm；ph8.0)进行退火合成dna折纸。退火过程是参考文献(rothemund,p.w.r.nature2006,440,297-302)报道的过程：样品从95℃以1℃每分钟的速率缓慢降温至20℃。

在引入缺陷的dna折纸上进行无需种子、具有纳米级分辨率的选择性cu金属化实验过程：在1×tae-mg²⁺缓冲液中合成的dna折纸无需超滤除去多余的订书钉链，用1×tae-mg²⁺缓冲液稀释3倍后，取6μl滴至新揭的云母上。吸附2min后，用移液枪吸200μl1×ta-mg²⁺缓冲液(除了没有edta外其他与1×tae-mg²⁺缓冲液完全一样)冲洗吸附有dna折纸的云母片，共需洗6次。目的是在保证不破坏dna折纸结构的前提下将其中的edta冲洗干净，因为在下一步进行cu金属化时edta会和cu²⁺发生鳌合影响在dna折纸上金属化的效果。同时被冲洗掉的还有多余的订书钉链，这些单链在金属化cu浓度高时也会被金属化，冲洗掉后可以使金属化的反应后afm表征时背景比较干净。冲洗好后将200μl新制的cu金属化反应液(1×ta-mg²⁺缓冲液，包括0.1mm-8mm的氯化铜，20mm的抗坏血酸)迅速加至云母上，避光反应10min。反应时间到后将反应溶液洗走，样品即制备完成。

原子力显微镜的表征：制好的样品用multimodenanoscopeviii原子力显微镜(bruker)的tappingmode液相扫描模式进行表征。所用的液相针是snl-10tips(bruker)。

对于引入“七点”图案缺陷的方块dna折纸来说，从附图1c中afm结果可以看出，在金属化前，只能隐约的看到dna折纸上的“七点”图案，高度分析图上dna折纸的高度只有2nm。金属化后，从附图1d中能明显的看到dna折纸上被金属化的“七点”图案。图案的位置与附图1a中的设计完全相符，且从附图1d的高度分析图中可以看出，除了“七点”缺陷位置高度明显变为约4nm高外，dna折纸上没有缺陷的双链位置高度没有变化，说明只有引入缺陷的位置才被cu金属化，其余没有缺陷的位置没有被cu金属化。金属化前后的高度差2nm是cu金属化的“七点”缺陷的高度。这表明本发明提供的方法能够在dna折纸上实现高位置特异性的cu金属化零维点图案。

实施例2：dna折纸上“八点”缺陷图案的缺陷大小(即每个“点”缺陷包含的dna单链数量不同)对其上铜金属化效果的影响。

我们在方块dna折纸上设计了这样一个阵列，分别伸出一条、两条和三条15bp的dna单链(图2)，鉴于方块dna折纸在长轴方向的分辨率，对于每个点有两条或三条dna链时，相邻两条伸出单链的横向间距约为5.4nm，纵向间距约为3nm，这样相邻两条伸出单链的直线距离会缩短为约6nm。我们期待看到一条单链缺陷与多条单链明显不同的金属化结果。结果正如我们所预期的那样，对样品进行金属化后，明显看到每个点只伸有一条15bpdna单链的位点很少被金属化出来，每个点有两条dna单链的位点有被金属化出来的，也有没被金属化出来，每个点有三条dna单链的位点大部分被金属化出来的，从统计图2d中可以清晰地看到三种位点金属化效果的明显不同。这个实验结果证明了dna团簇的大小确实对铜金属化效果有明显的影响。

实施例3：金属化反应液中不同浓度铜离子对金属化效果的影响

我们进一步研究了cucl2浓度对dna折纸上缺陷铜金属化效果的影响，我们保持其余反应条件不变，只逐步改变cucl2的浓度。这里没有用“七点”缺陷图案的dna折纸，而是向方块dna折纸上引入“数字8”的缺陷图形。所加的金属化反应液中铜离子的浓度从0.1mm到8mm不等。当铜离子的浓度比较低时(0.1mm)，从附图3e中的afm图中可以看到只有零星的一些较亮的点出现，随着氯化铜浓度的加高，图案的线条变得越来越连续，到了2mm时，完整的数字8越明显的显现在dna折纸上。金属化的高度有2nm。继续加高铜离子的浓度，金属化的高度没有明显的变化，只是图案的线条开始有所加宽。这表明本发明中金属化反应溶液中铜离子的浓度对金属化的效果影响很大。此外，根据我们测试的结果显示，金属化结果均是2纳米高度，金属化在高度上均一性很好。

实施例4：在dna折纸上引入一系列二维图形缺陷并对其进行选择性铜金属化

在dna折纸上通过延长某些位置的订书钉链的方法，引入了一系列二维图形缺陷：“数字0-9”，字母“d，n，a，c，u”,“小的数字8”,“数字88”。从附图4b-d的afm图中可以清晰的看到cu金属化出的“数字0-9”，字母“d，n，a，c，u”,“小的数字8”,“数字88”，与设计完全相符。这表明本发明在金属化图案方面，可通过改变延长订书钉链的位置，设计各种点、线、面图形缺陷，金属化出各种纳米cu图案。

实施例5：用末端转移酶的方法分别将三角形dna折纸的一边所有订书钉链以及整个三角折纸的所有订书钉链进行延长，引入缺陷，进而对其进行铜金属化，并对结果分别进行了sem表征和tem表征。其结果如图5所示。

在图5a中，我们对整个三角形dna折纸的铜金属化样品进行了透射电镜(tem)表征。

tem的制样方法如下：tem用200目钼网先用等离子清洗仪(harrickplasmapdc-32gcleaner)的lowlevel模式清洗30秒以提高其表面亲水性，然后取超滤纯化后的三角形折纸(折纸三条边所有的订书钉链均是延长链)滴加在钼网表面，室温下吸附2分钟，用滤纸从边缘吸去多余的样品溶液；再滴加新制的金属化反应溶液，室温下反应10分钟，再用滤纸从边缘吸去反应溶液，用q水轻轻洗表面后晾干，用tem(feitecnaig2f20s-twin)表征。

在没有染色的情况下，在tem中是看不到dna折纸的。但在图5a中，进行铜金属化之后，在没有染色的情况下，我们可以清楚的看到三角形的dna折纸。对其进行edx能谱分析表明，三角形dna折纸上是含有铜元素的，进一步证明了我们在dna折纸上实现了铜金属化。

在图5b中我们对整个一边的所有订书钉链用末端转移酶延长的三角形dna折纸进行铜金属化，并对其结果进行了扫描电子显微镜表征，其过程如下：硅片在使用前需要进行清洗，9ml浓硫酸与3ml双氧水混合，将切好的硅片浸泡其中，30min后用大量自来水冲洗，之后再用q水冲洗3次，氮气吹干。之后用等离子清洗仪(harrickplasmapdc-32gcleaner)的highlevel清洗2min，目的是提高硅片的亲水性。整个一边被加长作为缺陷的三角形折纸金属化的过程如前所述，只是在滴至硅片前用1m的乙酸镁溶液将其缓冲液中镁离子的浓度提高到100mm，目的是提高dna折纸在硅片上的吸附量。金属化过程完成，吸走硅片上金属化反应液后，用100ulq水冲洗样品三次，氮气吹干。样品用扫描电子显微镜(hitachis-4800)表征。

在图5b中，从afm结果可以看出，延长的一边金属化后明显比其他两条边要亮很多，说明其高度有明显增加，高出的部分就是金属化出的铜。从sem结果，我们可以清楚的看到金属化前后三角形dna折纸一边的变化。金属化前，在sem图中，三角形dna折纸的一条边明显比另外两条边颜色深，这是因为在用末端转移酶延长一边所有的订书钉链后，该边的dna含量要比另外两条边高得多，其导电性就差很多，故颜色较深的那条边应该是延长订书钉链的边；金属化后，可以清楚的看到在三角形dna折纸的一条边上有金属出现，应该是金属化出得铜。此结果进一步证明我们在dna折纸上进行选择性金属化，同时也说明我们可以用末端转移酶来延长特定位置的订书钉链引入缺陷的方法的可行性。

实施例6：在dna折纸上通过去掉某些位置的订书钉链形成“空缺”缺陷并对其进行选择性铜金属化

除了通过延长某些位置的订书钉链的方法在dna折纸上引入人为缺陷外，还可以去掉某些位置的订书钉链形成“空缺”缺陷。应当理解，去掉某些位置的订书钉链就是在制备dna折纸前，将这些链不加入样品中，这是dna折纸技术中常规的方法。附图6就是对分别去掉了三角dna折纸内三角形三条边上的订书钉链以及方块dna折纸中心部分的订书钉链所引入的缺陷进行金属化的结果。去掉了三角dna折纸内三角形三条边上的订书钉链后，与其互补的m13长链部分被cu金属化，即为附图6cafm图中在三角dna折纸的内三角形的每个角上形成亮点。去掉方块dna折纸中心部分的订书钉链后，在附图6e的afm图中可以看到在方块dna折纸中心形成了一个“洞”。cu金属化后，这个“洞”被金属化出的cu填上了。从这两个图形金属化的结果中可以看到，只有“空缺”缺陷的位置高度发生了明显变化，证明被金属化了，dna折纸的其余部分并没有被金属化，表明这种引入缺陷的方法也具有高位置特异性。这表明本发明在金属化图案方面，可通过去掉某些位置的订书钉链，设计各种点、线、面图形缺陷，进行高位置特异性cu金属化。

实施例7：以延长订书钉链的方法在dna折纸上引入“数字8”图案缺陷的dna折纸上进行银金属化

我们用agno3与盐酸羟胺反应，对带有“数字8”缺陷图案的dna折纸进行了选择性银金属化。实验方法与上面进行铜金属化是完全相同的，agno3的反应终浓度为2mm，我们对实验结果进行了原子力显微镜的表征，结果如图7a左下图所示。从图中可以看出，金属化的效果好，能够清楚的看到在dna折纸上被金属化出得“数字8”，之后我们提高agno3的反应终浓度为4mm，结果如图7a右下图所示，可以看到金属化效果明显增强，金属化出的数字8更明显了。这个实验结果表明，我们这种通过在dna折纸上引入人为缺陷的方法同样适用于选择性银金属化。

实施例8：以延长订书钉链的方法在dna折纸上引入“数字8”图案缺陷的dna折纸上进行金金属化

过程同上，我们用氯金酸溶液与盐酸羟胺反应，对带有“数字8”缺陷图案的dna折纸进行了选择性金金属化。氯金酸溶液的溶度分别为2mm、4mm。金属化后的dna折纸用afm表征，结果如图7b所示，可以清楚的看到被金属化出得“数字8”，而且4mm盐溶液金属化的效果比2mm的要好，金属化出得”数字8”更加明显。这个实验结果表明，我们这种通过在dna折纸上引入人为缺陷的方法同样适用于选择性金金属化。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。