综述：利用框架核酸实现金属、绝缘体和半导体的原子级制造

《Small Structures》：Toward Atomic-Level Manufacturing of Metals, Insulators, and Semiconductors Using Framework Nucleic Acids

这篇综述系统阐述了框架核酸（FNAs）在原子级制造领域的前沿进展。文章指出，FNAs凭借其原子级精度的可编程自组装特性，为构建金属、绝缘体（如SiO2、HfO2）和半导体（如碳纳米管CNTs）纳米结构提供了强大平台。通过模板法（如区域选择性金属化）和图案转移技术（如刻蚀），FNAs成功克服了传统光刻技术的分辨率限制，在纳米电子器件、光子学和量子元件制造中展现出巨大潜力。尽管在大面积均匀性和CMOS工艺兼容性方面仍存挑战，但该技术为下一代高集成度半导体器件开发指明了方向。

　　

DNA纳米技术与框架核酸的演进

原子级制造作为材料科学、化学和工程学的前沿领域，旨在实现原子级精度的功能材料与器件制备。框架核酸（FNAs）作为具有可编程空间组织的核酸纳米结构，为这一目标提供了理想平台。其精确的空间寻址能力实现了功能单元从纳米到原子尺度的自下而上排列整合。

DNA纳米技术始于20世纪80年代Ned Seeman利用Holliday junction组装二维平面阵列的开创性工作。随后发展的双交叉（DX）结构单元实现了可编程的二维DNA瓦片自组装，而N点星形结构单元进一步推动了宏观周期阵列的构建。为克服尺寸控制难题，自限制组装策略应运而生，实现了尺寸可控的有限组装体。DNA砖块策略通过单链瓦片（SST）组装，实现了数万条链的高效自限制组装。而DNA折纸术通过数百条短订书链与长支架链的互补配对，实现了二维/三维纳米结构的高精度可编程折叠，显著提升了结构复杂性和产率。

为实现跨尺度集成，研究人员开发了大规模可寻址自组装策略。通过DNA折纸条的交叉组装，成功构建了包含1022个独特单元、边长约2微米的可寻址画布，以及横向尺寸超过10微米的周期性片层结构。Meta-DNA系统更将组装尺度扩展至亚微米到微米级别，同时保持精确的可编程性和可寻址性。

DNA模板金属材料的精准构筑

基于FNAs的原子级精度，金属纳米结构的制备主要分为离散结构、连续结构和区域选择性结构三大类。离散金属结构如金纳米颗粒（AuNPs）可通过硫醇化DNA在FNAs上的特异性定位，实现螺旋排列或对称卫星超结构组装。连续金属结构则通过FNAs模板引导的纳米颗粒定向排列、离子还原沉积等技术，制备出具有特定电学性质的纳米线、异质结等结构。区域选择性金属化通过化学识别、空间位阻和异质集成等策略，实现了10纳米分辨率的金属纳米图案制备。

值得注意的是，Wang等人利用DNA折纸模板成功制备了室温单电子晶体管的核心结构，Toppari团队则通过DNA折纸实现了纳米电子图案化并证实了库仑阻塞效应，充分展示了DNA在原子级器件构建中的可行性。

绝缘体材料的DNA模板化合成

绝缘体材料在现代集成电路中扮演着关键角色。FNAs凭借其原子级精度和可编程性，为绝缘体材料的可控合成提供了新途径。以二氧化硅（SiO₂）为例，通过两步辅助生长机制，在FNAs模板表面实现了3纳米厚SiO₂层的精确沉积。优化后的离子浓度和耦合剂进一步实现了一步法高效包覆，并在低镁离子条件下实现了晶体三维SiO₂纳米结构的可编程合成。

FNAs的可寻址性还实现了SiO₂的位点特异性合成和异质结构构建。通过调控基底亲疏水性，可实现氧化铪（HfO₂）的区域选择性生长。受生物矿化启发，用钙离子替代镁离子稳定核酸结构，实现了10-100纳米尺度从一维到三维结构的精确形貌控制。2024年，Oleg Gang团队在FNAs上生长了共形SiO₂层，通过液相渗透（LPI）和气相渗透（VPI）技术成功合成了多种单质和功能化合物，证实了FNAs模板制备多功能异质结构的能力。

半导体材料的DNA模板制备与器件构建

在半导体材料方面，FNAs模板展示了在碳纳米管（CNTs）精确组装中的独特优势。通过三维沟槽核酸模板，利用静电作用和空间限域效应，实现了碳纳米管角度偏差小于2°、间距分布精度达0.4纳米的超精确组装，组装产率超过95%。这种模板还可编程调节碳纳米管中心间距从24.1纳米至10.4纳米，突破了传统制备方法的限制。

在半导体器件制造方面，将自上而下光刻与自下而上DNA自组装相结合，实现了互补协同效应。通过电子束光刻制备与三角形DNA折纸匹配的结合位点，实现了位点和取向控制的图案化排列，组装产率达94%。通过固定-洗脱处理有效去除模板和杂质，保持了碳纳米管阵列结构完整性，制备出性能接近理论极限的单晶体管器件。

近期发展的金微阵列上三维DNA超晶格局部生长策略，成功将FNAs转化为二氧化硅和氧化锡纳米结构。由氧化锡超晶格制备的器件表现出显著光电流响应，凸显了该平台在功能电子器件制造中的潜力。

总结与展望

DNA纳米技术正成为原子级制造的有力途径，在特定场景下展现出超越极紫外光刻（EUV）的加工精度。然而，该技术在实际应用中仍面临三大挑战：核酸自组装的热力学和动力学限制制约了大面积、高有序宏观结构的制备；FNAs模板在图案转移过程中易发生结构变形和界面缺陷；当前方法在集成性、可扩展性和主流半导体工艺兼容性方面仍有局限。

未来研究应重点关注三个方向：推进分级自组装和外场引导策略，实现从分子到宏观尺度的可控放大；提升FNAs模板稳定性和转移保真度，开发温和、高效、CMOS兼容的材料转化方法；促进自上而下和自下而上方法的深度融合，建立集设计、制备和表征于一体的智能原子制造平台。通过跨学科合作与产学研结合，FNAs技术有望突破现有加工极限，成为下一代高集成度半导体器件和量子信息系统的理想候选技术。